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先進封裝技術之爭 | 存儲大廠3D封裝龍爭虎斗 國產(chǎn)HBM產(chǎn)線初步構建

2024/05/17
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“未來的全球產(chǎn)業(yè)競爭,其實就是人工智能的競爭,面對大量的算力需求,封裝技術是核心技術之一?!?/em>——石磊

根據(jù)長電科技2023年財報,從應用端看存儲器市場將成為2024年半導體市場復蘇最主要的推動力,WSTS 預計其市場將高速增長,同比漲幅為44.8%。

另外,據(jù)市場調查機構 IDC 數(shù)據(jù),預計到 2027 年全球人工智能總投資規(guī)模將達到 4,236 億美元,近 5 年復合年增長率為 26.9%。其中中國將達到 381 億美元,占全球總投資 9%。

存儲芯片市場,三星、海力士和美光主導DRAM市場,三星、Kioxia、西部數(shù)據(jù)、美光主導NAND 市場。國內 DRAM 市場的主要企業(yè)有長江存儲、福建晉華和合肥長鑫;NAND 市場則以長江存儲為主。2024年上半年,海力士、三星、美光均會推出24GB容量的HBM3e,下半年將推出36GB版本的HBM3e。

本文為您調研匯報了HBM/DRAM、3D NAND封測市場的最新進展。全網(wǎng)首次呈現(xiàn)了昇維旭、長鑫存儲、福建晉華、武漢新芯、通富微電、長電科技、盛合晶微面向HBM的制造和封測能力。根據(jù)未來半導體年初調研,2024年國產(chǎn)規(guī)劃HBM產(chǎn)能為520萬顆,2024年全球HBM需求量約4000萬顆。

存儲大廠三分天下

2023年11月,英偉達面向AI領域的超高性能DRAM新產(chǎn)品HBM3E 打造的新一代圖形處理器帶來了容量、帶寬和性能的全面升級,市值更突破2萬億美元大關,在無量錢途上寂寞前行。

自2024年起,市場關注焦點即由HBM3轉向HBM3E,并逐步成為HBM市場主流。美光和 SK 海力士官方表示,他們在 2024 年和 2025 年的大部分時間里供應的 HBM 產(chǎn)品已售罄。2024年HBM需求將接近200%,預計到2025年將翻一番。為了滿足需求,三星和SK海力士已經(jīng)將超過20%的DRAM生產(chǎn)線轉換成HBM生產(chǎn)線。目前,國際HBM存儲制造三巨頭市占率分別為:SK海力士占50%,三星占40%,美光占10%左右,也就是說2022-2024年之間的市占率在1%-3%之間波動,所謂焦灼之極、兵家必爭。

美光是存儲領域2.5D/3D堆疊技術領領導廠商之一。其 1β(1-beta)技術、3D TSV 和其他實現(xiàn)差異化封裝解決方案,為領先的 HBM3E 和 HBM4 產(chǎn)品路線圖以及為 AI 應用打造的 DRAM 和 NAND 全套解決方案打下堅實基礎。

24年Q1美光量產(chǎn)8層堆疊的HBM3E,并出樣了12層堆疊的 36GB 容量 HBM3E,供應給英偉達 H100、H200 加速卡。與業(yè)界其他HBM3解決方案相比,美光 HBM3E,允將硅通孔(TSV) 數(shù)量翻倍,增加5倍金屬密度,功耗較降低30%,引腳速度超過9.2 Gb/s,可提供超過1.2 TB/s的內存帶寬。在與前一代相比,每瓦性能提高了2.5倍,滿足了AI數(shù)據(jù)中心的極端功耗需求。

美光2024年的HBM產(chǎn)能已經(jīng)售罄,2025年大部分產(chǎn)能的供應也已經(jīng)分配完畢,預計HBM產(chǎn)品的出貨占比將在明年大幅度攀升。美光近年在HBM市場處于相對劣勢,正磨拳擦掌,大干一場。

美光西安封測廠擁有DRAM內存顆粒封裝測試及模組制造業(yè)務,目前擴建堆疊式球珊陣列芯片封測生產(chǎn)線投資3.2億,2024年完工擴建月產(chǎn)能1100萬件內存顆粒產(chǎn)品。2024年3月美光西安的封裝和測試新廠房已破土動工,這是在23年6月宣布在西安追加投資43億元人民幣的承諾,制造更廣泛的產(chǎn)品解決方案,包括但不限于移動DRAM、NAND及SSD.

SK海力士一直擴建人工智能基礎設施,推進HBM3E等新一代DRAM的生產(chǎn)能力,以滿足英偉達的獅子大開口。SK海力士是英偉達H100的主要供應商,市占約80%。

SK海力士第三代HBM技術HBM2E開創(chuàng)大規(guī)模回流模塑底部填充(MR-MUF)工藝,并通過2.5D扇出封裝能跳過硅通孔(TSV)工藝增加I/O接口的數(shù)量。同時硅通孔(TSV)技術、小芯片(Chiplet)和混合鍵合技術為制造高帶寬存儲(HBM)中發(fā)揮重要作用。類似于AMD的3D V-Cache,到HBM4以3D堆疊在邏輯核心上,這不僅改變了邏輯和存儲芯片的互連方式,也將改變芯片的制造方式。

SK海力士HBM芯片在2025年的產(chǎn)能已經(jīng)基本售罄。行業(yè)對于高帶寬存儲器的高需求,迫使SK海力士HBM項目提速。SK海力士與臺積電(TSMC)簽署了諒解備忘錄,開發(fā)第六代HBM產(chǎn)品 HBM4(12層)與邏輯層的先進封裝技術密切合作。與此同時,SK海力士已在加速推進第七代HBM產(chǎn)品的HBM4E(MR-MUF技術 16層堆疊,計劃使用第六代 10+nm 級 1c nm 制程的 32Gb DRAM ),HBM4E 內存可較 HBM4 在帶寬上提升 40%、密度提升 30%,同時能效也提高 30%。

SK海力士表示當前HBM技術已達到新的水平,同時代際更迭周期也在加快,此前由HBM到HBM3E之間的迭代周期一直為兩年一代,但后續(xù)自HBM4開始周期有望提升到一年一代。也意味著HBM4E將在2026年問世。

SK海力士計劃2025年3月在京畿道中投資907億美元興建一座龐大的半導體生產(chǎn)園區(qū),首座晶圓廠預計將在2027年完工,整個園區(qū)共四座晶圓廠,建設工程則預計將在2046年全面竣工,可能同時生產(chǎn)DRAM和NAND閃存芯片。巧合的是,三星也選擇了在附近建造類似的半導體生產(chǎn)園區(qū),其中還有研發(fā)中心。

在中國的合資公司海太半導體,具有DRAM封測能力以及HBM3后工序封裝高堆疊產(chǎn)品(16D),其產(chǎn)能占據(jù)海力士40%~50%左右,但海太半導體業(yè)務不涉及HBM制造產(chǎn)品。

三星不甘落后,成立了一個強悍的HBM 供應交易研發(fā)團隊,妄圖打動英偉達,以此來對抗海力士。所以,2024年工作重心放在 HBM、DDR5 服務器內存等企業(yè)市場。三星將混合鍵合、熱壓非導電薄膜(TC NCF)技術、非導電粘合膜(NCF)方法作為存儲器堆疊技術,實現(xiàn)芯片之間間隙的最小化,并將垂直密度提高20%以上。還儲備垂直堆疊SRAM內存芯片CPU的SAINT S和垂直封裝DRAM內的SAINT D的先進封裝技術。

2024年2月份公布了首款12層堆疊的HBM3E DRAM,命名為HBM3E 12H,可達到驚人的1280GB/s,容量也高達36GB。三星的HBM3E使用了先進的1α工藝,與 8層堆疊的HBM3 8H相比,HBM3E 12H在帶寬和容量上的提升幅度均超過了50%,計劃于今年下半年開始大規(guī)模量產(chǎn),媒體預測將用于英偉達的下一代 AI 芯片,比如 B200 和 GB200。

3月,三星還公布HBM路線圖,預計2026年HBM的出貨量將是2023年的13.8倍;到2028年,HBM的年產(chǎn)量將進一步增至2023年的23.1倍。目前三星已制造出基于混合鍵合技術的16層堆疊HBM3內存樣品,用于2025/26年HBM4內存量產(chǎn)。從 HBM4 開始,三星將采用混合鍵合,直接用銅連接 DRAM 的頂部和底部。

三星電子已成功向美國 AMD 供應 HBM3 內存,但還在跟英偉達死磕認證。

1.1萬億美元的DRAM市場

HBM(High Bandwidth Memory, 高帶寬存儲器)實際上是一種3D封裝的DRAM內存芯片,引入硅通孔和鍵合技術,將多層芯片(4/8/12/16/32)堆疊在邏輯芯片上方,再通過2.5D工藝(如CoWoS-S)將HBM與GPU直接通過硅中介層(Si Interposer)連接,以實現(xiàn)更高帶寬、更多I/O數(shù)量、更低延時和低功耗,以及更小尺寸。

當前DRAM內存的市場規(guī)模非常龐大,預計到2024年,全球DRAM內存的市場規(guī)模將達到1.1萬億美元,占整個半導體市場的20%,2023-2025的復合增長率有望成長至40-45%以上。

中國是全球最大的DRAM內存消費國,每年有超過600億美元的進口。這顯然是對中國的經(jīng)濟、信息和技術自主構成巨大的挑戰(zhàn)。國內存儲廠商市占率遙遙落后,但也意味著未來巨大的潛力增長。國際大廠先進封裝產(chǎn)能不足,HBM3 內存容量緊張給了國產(chǎn)機會。

國內廠商可從現(xiàn)貨市場采購DRAM顆粒,在通過3D封裝實現(xiàn)堆疊出一個HBM器件,當遭到封鎖時,我們只能加速先進封裝技術,通過TSV垂直方向通孔和Hybrid Bonding鍵合,實現(xiàn)自主研發(fā)HBM顆粒和器件。

字節(jié)跳動、騰訊阿里巴巴百度等已在排隊采購國產(chǎn)HBM,據(jù)未來半導體調研各家項目規(guī)劃產(chǎn)能,2023年國產(chǎn)CoWos規(guī)劃產(chǎn)能為50萬顆,折算成HBM產(chǎn)能為200萬顆;2024年CoWos規(guī)劃產(chǎn)能為130萬顆,折算成HBM產(chǎn)能為520萬顆;2025年CoWos規(guī)劃產(chǎn)能降為100多萬顆,折算成HBM產(chǎn)能為400萬顆。屬于能力有限,產(chǎn)能不足。

華為昇騰芯片

華為昇騰芯片是中國地表最強芯片,也是全球AI芯片競賽的重要力量。由于國內人工智能芯片需求猛增,也使得昇騰成為目前國內出貨量最高的國產(chǎn)芯片。這震驚了英偉達,將華為列入了其主要的競爭對手名單。

昇騰芯片基于華為自研的達芬奇架構,昇騰系列具備高算力和能效,覆蓋云端訓練至邊緣推理的全場景應用。通過2.5D 封裝堆疊多顆HBM內存。這些芯片都是在擁有先進制程的基礎上,為了進一步提升芯片性能。

昇騰910是華為海思的首款AI處理器,它的計算能力達到了256TFlops,單卡能力在A100/A800之上的,HBM的算力與對手相比仍有落差。昇騰920是24年底將發(fā)布的昇騰920,將采用了7納米的制程,計算能力達到了400TFlops,將是目前全球最強大的AI處理器之一。

華為團隊與國內存儲制造廠商與下游封測廠通力推進HBM產(chǎn)線。昇騰芯片已經(jīng)有望搭載自家的HBM,從而實現(xiàn)國產(chǎn)AI芯片的絕地反擊。

國產(chǎn)HBM制造隊列

根據(jù)未來半導體調研,國內至少在2021年就做出了自主研發(fā)HBM的計劃,當時國內芯片正一個個成為美國打擊的目標,但如今我們的企業(yè)還一個個屹立不倒。雖然趕不上國際三巨頭均生產(chǎn)最新HBM3芯片以及HBM3E,我們有信心拿下HBM2。

昇維旭是一家具有深圳國資背景的高新技術企業(yè)其主要產(chǎn)品面向數(shù)據(jù)中心、智能手機等應用場景的存儲芯片。有規(guī)劃投資超3000億人民幣建造12吋DRAM廠,規(guī)劃總產(chǎn)能14萬片/月。一期預計2024年上半年試產(chǎn)。網(wǎng)傳其HBM 23年已立項,24年晶圓流片并導入封測端,25 年不斷調試,26年推出最終產(chǎn)品HBM3。DRAM顆粒指日可待。

長鑫存儲是中國最大的DRAM內存生產(chǎn)商。到2023年,長鑫存儲在全球DRAM市場的份額還不到1%。2024年上半年長鑫存儲合肥工廠一期已滿負荷生產(chǎn),達到了12萬片每月的產(chǎn)能。2024年底二期擴建完成,目標實現(xiàn)30萬片每月的產(chǎn)能,將占全球DRAM內存市場的5-10%。二工廠將擁有最先進的 DRAM以及芯片垂直堆疊技術,以復制 HBM 芯片的架構。同時,正在開發(fā)混合鍵合、TSV等先進封裝技術,以創(chuàng)造更強大的 HBM 產(chǎn)品(如將 8 個或 12 個具有寬接口的存儲器件堆疊在一起,或者HBM3),將給下游封測廠帶來機會。

2018年,長鑫存儲成功研發(fā)了國內首個8Gb DDR4芯片,2019年三季度成功量產(chǎn)了DDR4/LPDDR4/LPDDR4X芯片2023年11月長鑫存儲正式推出LPDDR5系列,首次采用3D層疊封裝封裝,與國際水平接軌。與上一代LPDDR4相比,長鑫LPDDR5單一顆粒的容量和速率均提升50%,分別達12Gb和6400Mbps,同時功耗降低30%。

目前長鑫存儲與通富微電合作開發(fā)了HBM 芯片樣品,通富微電具備HBM的3D封裝能力,但仍處于成長期,公司2.5D/3D生產(chǎn)線建成后,將實現(xiàn)國內在HBM高性能封裝技術領域的突破。

福建晉華是福建省電子信息(集團)旗下的控股子公司,以,攻堅集成電路內存芯片自主技術與合作伙伴共創(chuàng)雙贏為使命,推出了基于 HBM 技術的DRAM內存模組并實現(xiàn)了量產(chǎn)。外傳晉華 HBM 產(chǎn)品已流片,采納了3D封裝技術,實現(xiàn)高帶寬、低延遲,廣泛應用于高性能計算、人工智能等領域。

福建晉華建設有12吋內存晶圓廠生產(chǎn)線,開發(fā)先進存儲器技術和制程工藝。其投資規(guī)模非常龐大,一期計劃投資53億美元,建設6萬片每月的產(chǎn)能,二期和三期計劃投資150億美元,建設18萬片每月的產(chǎn)能,總投資超過200億美元,總產(chǎn)能達到24萬片每月,相當于長鑫存儲的兩倍。

武漢新芯是長江存儲集團下面的兄弟,除了生產(chǎn)邏輯芯片、CIS傳感器及NOR閃存和 3D NAND外,還擁有晶棧?Xtacking晶圓級三維集成技術平臺集成TSV混合鍵合多片晶圓堆疊技術(Multi-Wafer Stacking);C2W混合鍵合/Hybrid Bonding、晶圓堆疊技術3DLink?,包括兩片晶圓堆疊技術 S-stacking?、多片晶圓堆疊技術 M-stacking?和芯片 - 晶圓異質集成技術 Hi-stacking?。

憑借前道晶圓制造廠的先發(fā)優(yōu)勢,武漢新芯于2024年2月啟動建設HBM產(chǎn)線建設包括高帶寬存儲芯粒先進封裝技術研發(fā)和產(chǎn)線建設、C2W混合鍵合技術研發(fā)和產(chǎn)線建設項目標月產(chǎn)能分別為12英寸晶圓3000片。2025年以后持續(xù)推進高帶寬存儲器的多晶圓三維集成技術研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、C2W混合鍵合技術研發(fā)和產(chǎn)線建設項目和高容值密度深溝槽電容制造工藝技術研發(fā)項目。

3D Dram是存儲芯片的未來發(fā)展方向 , 存儲大廠龍正虎頭,中國的存儲大廠豈會缺席。當切換為國產(chǎn) HBM,產(chǎn)能缺口下給了封測廠巨大機會。

國產(chǎn)HBM封測隊列

目前,后道封測廠通富微電、長電科技、盛合晶微擁有HBM的封測能力

通富微電持續(xù)布局DRAM和NAND,存儲器封測領域處于第一梯隊,在存儲封測業(yè)務國內遙遙領先。公司是國內首家完成基于TSV技術的3D DRAM封裝開發(fā)的封測廠。擁有先進封裝平臺 VISionS (2.5D/3D/MCM-Chiplet),有涉及AMD Rx 7900 m GPU的封測項目。子公司正在大規(guī)模建設存儲器封裝項目。

南通通富面向HBM,規(guī)劃建設高帶寬存儲芯粒先進封裝技術研發(fā)和產(chǎn)線建設項目,建成后形成年產(chǎn)高帶寬存儲芯粒產(chǎn)品產(chǎn)品共3.6萬片生產(chǎn)能力;

通富超威(蘇州)定位國內領先水平高性能計算處理器封裝測試研發(fā)生產(chǎn)基地。投資34.5億元高性能集成電路封裝測試項目2023年上半年開工,一期計劃2025年年底投產(chǎn),后續(xù)或總投資100億元建設超威高性能集成電路項目。

蘇州通富超威半導體有限公司新投資9億高性能運算芯片封測及先進封裝產(chǎn)業(yè)化項目2024年首期投產(chǎn),可實現(xiàn)國產(chǎn)處理器測試2000萬顆/年、晶圓測試28000片/年。

通富通科存儲器產(chǎn)品封測和功率器件產(chǎn)品封測項目項目總投資45億一期、二期已量產(chǎn)。新增存儲器產(chǎn)品封裝測試10800萬塊的生產(chǎn)能力。

長電科技在存儲市場封測服務覆蓋 DRAM,F(xiàn)lash 等各種存儲芯片產(chǎn)品,擁有 20多年 memory 封裝量產(chǎn)經(jīng)驗,16 層 NAND flash 堆疊,35um 超薄芯片制程能力,Hybrid 異型堆疊等,都處于國內行業(yè)領先的地位。

長電科技專為HBM設計的XDFOI高密度扇出型封裝解決方案,XDFOI技術是一種面向Chiplet的極高密度、多扇出型封裝高密度異構集成解決方案,覆蓋了當前市場上的主流2.5D Chiplet方案并實現(xiàn)量產(chǎn)。

3月份,公司斥資6億美元收購西部數(shù)據(jù)旗下公司,拓展公司在存儲領域的布局。晟碟半導體產(chǎn)品類型主要包括iNAND閃存模塊,SD、MicroSD存儲器等。

長電微電子面向高算力芯片的晶圓級微系統(tǒng)集成高端制造項目總投資100億,2022年7月開工,晶圓級/倒裝年產(chǎn)60億顆;項目一期2024 年上半年開始設備進場,6-7月竣工投產(chǎn)。

長電紹興項目面向CPU/GPU/HB,啟動了投資投資80億元的中道先進封裝生產(chǎn)線(HDFO高密度扇出封裝、eWLB、A-eWLB))項目,2022年9月投產(chǎn),年產(chǎn)12吋封裝48萬片,每月12吋產(chǎn)出2000-5000片。

盛合精微擁有面向先進封裝的3D創(chuàng)新研發(fā)平臺——3D SiP SmartPoser? Key Applications,實現(xiàn)高密度、高集成度、超薄3D集成。3DFO晶圓級系統(tǒng)集成技術,具有高密度RDL和TIV特性,可實現(xiàn)高密度互連,并為各種應用如移動、高性能計算等提供高性能封裝方案。

盛合晶微一期工廠總投資10.5億美元,主打中段硅片制造集成。二期工廠總投資100億元(12億美元),由三維多芯片集成封裝、超大尺寸Fan-out先進封裝技術研發(fā)及產(chǎn)線建設、2.5D硅轉接板及硅通孔技術研發(fā)及產(chǎn)線建設組成。三維多芯片集成封裝項目建成后達產(chǎn)年將形成金屬Bump96萬片/年)、3D封裝19.2萬片/年。超高密度互聯(lián)三維多芯片集成封裝項目目標是形成月產(chǎn)能達4000片(12 英寸)的量產(chǎn)能力。

國產(chǎn)存儲封測隊列

合肥沛頓存儲科技有限公司專注于DRAM、NAND FLASH封裝,擁有wBGA/FBGA、FlipChip、TSV技術(DDR4封裝);多層芯片封裝和系統(tǒng)級封裝;Sip、uPOP堆疊封裝技術。目集成電路先進封測和模組制造項目總投資金額100億元,一期(一期投資30.6億元)達產(chǎn)后,每月10萬片動態(tài)存儲晶圓封裝測試和2萬片閃存晶圓的存儲封裝產(chǎn)能。二期建設預計到2025年,月封裝測試產(chǎn)量將達到約6000萬顆。

元成科技(蘇州)有限公司(原力成蘇州)專注于存儲芯片;閃存芯片、內存芯片及邏輯芯片,擁有多層晶片疊封技術、FCCSP、銅柱凸點、BGA、QFN;SiP和多層疊die技術(2.5D)。存儲芯片年封測產(chǎn)能超過5.5億顆,并入江龍波后,提升存儲芯片封裝測試能力。

海太半導體(無錫)有限公司專注于DRAM、NAND。封裝20納米DRAM封測、模組封測、高階混合封裝(Hybirid,F(xiàn)C+WB)工藝。HBM3后工序封裝。高堆疊產(chǎn)品(16D)產(chǎn)能占據(jù)海力士40%~50%左右。掌握了的技術的技術突破。完成了1制程DRAM的驗證和量產(chǎn)。

宏茂微電子(上海)有限公司有3D NAND Flash產(chǎn)品堆棧式封裝(Raw NAND , EMMC , UFS),實現(xiàn)3D NAND芯片封測的規(guī)模量產(chǎn)。同時建有大容量存儲芯片封測產(chǎn)線技術改造項目。

浙江甚湖科技有限公司有多層芯片疊加(最多16DIE)封裝和SiP封裝、2.5D技術,芯項目計劃投資11億元,代建用地44畝,建設年產(chǎn)2000萬顆高端芯片F(xiàn)C+2.5D先進封裝測試生產(chǎn)基地

龍芯中科(鶴壁)技術有限公司專注于龍芯一號、二號、三號等系列芯片封裝,有FC-BGA、2.5D、Chiplet封裝組技術。龍芯中科芯片封裝項目總投資13億元(分三期)一期項目2023年10月投產(chǎn),每年可封裝測試芯片500萬至1000萬片。未來3至5年,將根據(jù)市場需求有序推進二期、三期建設。三期項目全部達產(chǎn)后,年可封裝測試芯片3000萬片,預計年稅收超2億元。

惠州佰維存儲科技有限公司掌握16層疊Die、30~40μm超薄Die、多芯片異構集成等先進封裝工藝,為NAND、DRAM芯片和SiP封裝產(chǎn)品的創(chuàng)新力及大規(guī)模量產(chǎn)提供支持。其在東莞松山湖高新區(qū)落地的“晶圓級先進封測制造項目”是通過TSV和混合鍵合工藝實現(xiàn)針對DRAM顆粒的多層堆疊封裝,甚至是異質集成。

深圳市晶存科技有限公司有DRAM,總投資超10億先進存儲芯片測試及封裝產(chǎn)線的重要基地,2024開工。

廣西桂芯半導體科技有限公司儲類封裝領域項目總投資10億三期項目,WLCSP/FOWLP 110億顆/年。

四川和恩泰半導體有限公司總投資6億元和恩泰半導體存儲芯片封裝測試項目,2021年投產(chǎn),年產(chǎn)能5000萬片存儲芯片(SiP封裝工藝年產(chǎn)能500-800KK)。

國產(chǎn)HBM剛剛起步

國內目前可以攻克HBM2。美國并未對 HBM 芯片本身的出口施加限制,但 HBM3 芯片含有美帝限制的技術,包括華為在內的許多中國公司被禁止使用。然而,我們仍需要推進自己的HBM3 所需的技術,并且在一次次制裁中取得突破。生產(chǎn) HBM 不僅需要高質量的 DRAM 生產(chǎn)能力,還需要先進封裝技術將這些芯片堆疊連接。

中國目前沒有哪家企業(yè)能夠量產(chǎn)高階HBM芯片來加速 AI 計算,至少要等到2025年甚至更長時間,中國面臨著相當長的路要走。國際上能夠做HBM的都是IDM大廠包攬設計制造和封測,中國企業(yè)在未來幾年內很難具備挑戰(zhàn)美光、三星和 SK 海力士地位的實力。

3D NAND

NAND閃存結構從最初的2D到如今的3D、4D。2023年的卷王難分仲伯,SK 海力士可以堆300層,鎧俠可以堆218層,SK海力士可以堆321層。三星預測到2030年將出現(xiàn)1000層NAND。鎧俠表示將在2031年批量生產(chǎn)超過 1000 層的 3D NAND 存儲器。目前 NAND 閃存行業(yè)已度過了最艱難的 2023 年,今年將進入上升期,預計 2023~2027 年的閃存需求總量復合增長率可達 21%,單臺設備平均容量的復合增長率為 20%。

三星V-NAND技術通過改良型的Charge Trap Flash技術在一個3D的空間內垂直互連各個層面的存儲單元,使得在同樣的平面內獲得更多的存儲空間。三星V-NAND閃存還放棄浮柵極MOSFET,使用電荷攫取閃存設計。

三星電子已開始量產(chǎn)其基于雙堆棧架構的第 9 代 V-NAND 內存,。第一批基于其最新 NAND 技術的芯片采用三級單元 (TLC) 架構,容量為 1 Tb,數(shù)據(jù)傳輸速率高達 3.2 GT/s。該公司當?shù)?8 代 V-NAND 為 236 層,有傳言稱第 9 代 V-NAND 將其提升至 290-300層,再往后的第十代則會達到430層左右。

目前三星在西安的工廠已建立了投資超40億美元的半導體封測線,可封裝月產(chǎn)能達20萬片12英寸晶圓,占三星NAND閃存產(chǎn)總量的40%以上。2024切換至236層(V8)NAND閃存。

鎧俠正加速BiCS FLASH 3D立體堆疊閃存技術研發(fā)進程。該技術首先堆疊板狀電極,然后打開穿過它們的孔并連接電極,從而一次為所有層形成存儲單元以降低制造成本。此外,為了實現(xiàn)更大的存儲容量,KIOXIA十多年來一直在繼續(xù)R&D增加層,目前已推出最高218層的BiCS FlASH閃存產(chǎn)品。

2023年鎧俠宣布第八代BiCS 3D NAND 存儲器堆疊了218層,應用了先進的晶圓鍵合、橫向收縮技術,并在橫向收縮、縱向收縮方面取得平衡,存儲密度比上代提升超過50%,達到了1Tb(128GB),接口速度3200MT/s。

23年8月SK海力士公布了321層 4D NAND閃存并計劃于2025年上半期開始量產(chǎn),這是目前堆疊層數(shù)最多的閃存。與上一代238層512Gb NAND相比,生產(chǎn)效率提高了59%。每個硅芯片可提供 1Tbit 的存儲容量,同時利用 3 位/單元 (TLC) 多級存儲方法,存儲密度提高了 41%。

在中國市場,SK海力士將重點轉移到其半導體制造工廠所在地無錫,在重慶的封測廠,占到整個SK海力士閃存產(chǎn)品的40%以上,其投資12億美元建設Nand Flash封裝測試生產(chǎn)線2020年量產(chǎn),年生產(chǎn)芯片20億片。

長江存儲是中國大陸第一家專攻3D NAND芯片廠,可提供3D NAND閃存晶圓及顆粒, 嵌入式存儲芯片以及消費級、企業(yè)級固態(tài)硬盤等產(chǎn)品。晶棧(?)Xtacking(?) 是長江存儲核心技術,已發(fā)展到第三代 3D QLC閃存技術的產(chǎn)品X3-6070 QLC 較上代 IO 速度提升 50%、存儲密度提高 70%、擦寫壽命達 4000 次 P / E。2022 年初率先實現(xiàn)232層3D NAND 量產(chǎn),首次領先海外廠商。長江存儲在研發(fā)超過 300 層的 NAND 閃存,計劃在2024年下半年新品上市。

當前,3D NAND 的堆疊層數(shù)提升成為業(yè)界新問題,推動 QLC NAND 的應用將是大勢所趨。

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