驱动存储芯片行业重大变局——3D NAND FLASH 深度分析报告

驱动存储芯片行业重大变局——3D NAND FLASH 深度分析报告

　　存储器是半导体三大支柱产业之一。据IC Insights数据，2015年半导体存储器市场总额达835亿美元。各类存储器中，NAND FLASH是一个亮点。其广泛应用于PC、手机、服务器等各类电子产品，2015年营收达到267亿美元,占半导体存储器市场总额的32%。

　　近年来，为了适应小体积、大容量等市场需求，NAND FLASH制造技术向3D技术发展。3D NAND FLASH通过增加立体硅层的办法，既提高单位面积存储密度，又改善存储单元性能。3D NAND FLASH不仅能够增加容量，也可以将成本控制在较低水平。3D NAND比20纳米级产品的容量密度高，读写速度快，耗电量节省，采用3D NAND Flash存储器的固态硬盘(SSD)其电路板面积也较小。3D技术不仅使产品性能至少提升20%，而且功耗可以降低40%以上。根据三星在SSD峰会所述，TLC V-NAND闪存相比传统的平面闪存的密度提升了1倍。

　　目前3D NAND的堆栈层数为32-48层，厂商们正在研发64层甚至更高层数的堆栈技术。2016年开始3D NAND FLASH将逐步对NAND FLASH进行替代。

　　据SEMI数据，全球晶圆厂就支出成长率来看，最大成长动力来自3DNAND(包括3DXPoint)。2014年支出为18亿美元，到2015年倍增至36亿美元，成长幅度高达101%。2016年支出将再增加50%，上扬56亿美元以上。

　1 三星领跑，差距有限，存在弯道超越机会

　　1.1规模量产难度大，目前仅三星能规模量产

　　NAND Flash领域霸主三星市占率稳定在31~35%左右，并拥有独家3DNAND Flash堆叠技术。

　　三星在2013年8月宣布进入3D NAND量产，2014年第1季正式于西安工厂投产。就目前3D NAND Flash原厂投产情况来看，2016年只有三星能够实现48层3DNAND规模化量产。三星3DNAND每月产能约在2万~4万片之间，约占三星总体NAND产能的9~18%。

　　图表1 2016Q1 主要原厂NAND FLASH 市场份额 资料来源：中国闪存市场网

图表2 2015年Flash原厂厂能投产情况：仅三星能够规模量产3D NAND

　　1.2 48层：2D技术向3D技术最佳的成本效益切换点

　　3D技术若采用32层堆叠NAND FlashDie容量达128Gb，与主流2D1y/1znm128Gb相比缺乏成本竞争力。随着3D技术的发展，采用48层堆叠则可将NAND FlashDie容量提升至256Gb，突破2DNAND128Gb容量，且较32层3DNAND更有成本和性能优势，这也是Flash原厂在2016年扩大48层量产或加快导入步伐的主要原因，使得2D技术向3D技术切换点恰好拥有最佳的成本效益。目前后进入3D领域的企业均积极在48层3D领域追赶三星。

　　东芝48层3DNAND今年才刚进入规模量产阶段，美光、海力士预计要等到2016下半年才能够投入生产。英特尔将位于大连的逻辑芯片12寸厂改造为3DNANDFlash工厂，砸55亿美元升级产能，致力发展相关技术，计划今年下半年生产3DNAND和Xpoint。国内的武汉新芯专注于NAND生产，与美企Spanion签订3D NAND 授权协议，目前成为240亿美元国家存储器基地投资计划的受益者，预计2017年底就能取得48层3DNAND的验证，2018年进行量产。紫光国芯2015年11月发布800亿定增公告，其中存储器芯片制造项目采用定增资金600亿(总投资932亿)。

　　目前3D NAND FLASH主要厂商情况及动向总结如下：

　　l 三星

　　三星在3DNAND技术上领先，并2015年底为3D NAND量产新建西安工厂，投资总金额已超过50亿美元，2016年将扩大48层3D NAND量产，并规划在年底实现64层3D NAND量产，预计2016年底将产能进一步拉升至每月10万片。计划将韩国华城Fab16的16nm 2D NAND改造成20nm 48层3D NAND产线，预计将在Q2改造完毕。

　　l 东芝/闪迪

　　东芝/闪迪的3D技术采用48层，除了改建的Fab2将在2016年投产外，还投资买地建新3D NAND工厂。在日本三重县四日市市兴建NAND Flash新工厂,最快2017年量产，目标把3D NAND Flash产能提高至现在2倍。

　　l 海力士

　　3D NAND已于Q2出货，下半年将积极增产，计划从当前的每月2千片增至Q4每月2万片。海力士除了新建的M14工厂计划量产3DNAND，也将投资新建工厂，预计2019年开始投入生产。IDF峰会上，海力士展示了一款采用第二代36层3D NAND的企业级SSD，抢占企业级市场商机，现已通过了客户测试认证，开始出货。

　　l 美光

　　新加坡合资工厂，今年第一季已经开始量产3D NAND flash，目前每月产量为3,000片，预料年内可拉升至每月4万片。美光目前已将3D NAND的样本送往客户进行测试，新建的Fab10x工厂预计将在2016下半年开始投产新一代的3D NAND。美光在台北电脑展上正式发布两款3D NAND SSD产品，Micron 1100 SATA与2100 PCIe NVMe，其中Micron 1100 SATA预计将在7月开始生产，而2100 PCIe NVMe将在今年夏季末开始生产。美光将在2016下半年推出一款消费类MX300系列SSD，采用的是美光3D TLC NAND和Marvell 88SS1074控制芯片，该系列SSD容量可望达到2TB。

　　l Intel

　　和美光共同建立新加坡合资工厂，今年第一季已经开始量产3D NAND flash，目前每月产量为3,000片，预料年内可拉升至每月4万片;英特尔宣布投资55亿美元将原先逻辑芯片12寸厂65nm生产线的大连厂，改建为月产能3万片的3D NAND Flash厂，预计2016年先投入15亿美元，到2016第四季开始投片生产，月产能估计达1万片。盼量产3D NAND和Xpoint。明年东芝和英特尔的3D NAND产能可能是三星西安厂的2~3倍，将威胁三星的霸者地位。

　　l 武汉新芯

　　已被Cypress购并的半导体设计公司Spansion，自10年前就致力发展名为mirror-bit的3DNAND技术。武汉新芯凭借着对Spansion技术的信心，在2014年启动3DNAND计划;今年2月份，Spansion和武汉新芯(XMC)签订3DNAND授权协定。由武汉新芯出资、Spansion提供电荷储存式(Chargetrap)和浮闸(FloatingGate)的NANDIP。公司预计2017年底就能取得48层3DNAND的验证，2018年进行量产。3月28日，总投资240亿美金 (约1600亿元人民币)的“光谷”存储器基地项目在武汉市东湖高新区正式启动 。这一项目是湖北省自建国以来最大的单体投资项目，更成为国家发展集成电路产业的重大战略部署。

　　l 紫光国芯

　　2015年11月，拟932亿(其中定增投入600亿)新建存储类芯片工厂，工厂实施完成并完全达产后，预计可新增12万片/月的存储芯片生产产能。

　　l 中芯国际

　　中芯在2014年9月宣布38nmNANDFlash记忆体工艺已就绪，虽不像武汉新芯在NANDFlash的成果和专注，此技术仍为后续开发更先进的2x/1xnm和3DNANDFlash记忆体的研发和量产奠定基础。

　　1.3 各厂商与三星技术差距仅1~3年，三星霸主地位受挑战

　　三星3DNAND技术领先对手1~3年，各方增产之下，差距大幅缩小，明年3DNAND扩产大战将更加白热化，三星可能不会增建产线，以提高生产力为主，应对战局。

　　其中与三星技术差距最小的是东芝公司。据EETimes的报导，三星与东芝(Toshiba)之间尚有1年的技术差距，由于东芝3DNANDFlash目前仍处于样品水准，而三星已进入量产阶段。样品与量产之间的技术差距大约为1年。

　　东芝存储器事业的副社长成毛康雄表示，将冲刺NAND Flash产量，目标在2018年度将NAND Flash产量扩增至2015年度的3倍水平(以容量换算)。成毛康雄还指出，将强化3D NAND Flash的生产，目标在2017年度将3D产品占整体生产比重提高至5成，2018年度进一步提高至9成左右水平。东芝打算与Western Digital在未来三年携手，对3D NAND Flash投资1.5兆日元，相当于146亿美元。

　　国内的武汉新芯在中科院微电子所等合作帮助下己经做成9层3DNAND的样品，非常有信心在2018年实现48层的量产，这样与三星之间也就差距在3年左右。2015年5月，武汉新芯的3D NAND项目有了重要进展：第一片测试芯片通过存储器电学验证。此后，武汉新芯在更高叠层的产品工艺研发上取得了沟道电流大幅提升、存储单元性能和可靠性持续优化等更多突破性进步。

　　据OFweek报导，240亿美金(约1600亿元人民币)的“光谷”存储器基地2018年将实现3D NAND存储器的首次量产，2020年形成月产能30万片的生产规模，其中20万片3D NAND Flash和10万片DRAM，2030年预计达到每月产能100万片。

　　由于资金壁垒和技术壁垒较大，潜在入侵者较少。未来3D NAND FLASH竞争将集中在业内已有企业中。由于霸主三星技术领先优势不大，仅1~3年，而大部分业内企业均投入大量资金建设工厂和研发技术，因而未来三星霸主地位会受到挑战。

　　图表3 国际大厂2016年预计3D NAND 产能及比重 资料来源：OFweek

　　1.4 预计2017年3D NAND FLASH供给约650GB规模

　　基于上游Flash原厂更先进的1znm/3D NAND技术生产，中国闪存市场网预计2016年NAND Flash市场供应量将达到1200亿GB当量，较2015年成长40%，2017年将超过1600亿GB。

　　其中，3D NAND FLASH市场发展非常迅速。以三星西安厂为例，根据Digital Times的报导，3D需求的增加超过了预期，例如三星西安厂的3D NAND FLASH从2014年月产1~2万片，到2015年第3季已经上升到5万片的水平，伴随良率上升，目前远超过当初每月预估值6万~7万片，2016年达到每月10万片。

　　随着未来多家厂商逐渐量产，3D NAND FLASH将逐渐成为NAND Flash主流。市调机构IHS指出，全球NAND Flash市场上，2015年3D NAND比重约为4.5%，2016年则将快速提升到21%，到2017年则将达到40%，2018年3D NAND比重将达到50%，逐渐成为NAND Flash主流产品。根据中国闪存市场网和IHS数据，我们预计2017年3D NANDFLASH约640亿GB规模。