過(guò)去三年，存儲(chǔ)市場(chǎng)波動(dòng)持續(xù)影響著整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)。由于2019年DRAM和NAND的價(jià)格下跌近50%，導(dǎo)致收入暴跌超過(guò)30%。然而，盡管2020年全球經(jīng)濟(jì)遭遇新冠侵襲，但這一年DRAM和NAND市場(chǎng)收入分別增長(zhǎng)了28%和6%。進(jìn)入2021年，DRAM市場(chǎng)收入猛增40%以上至940億美元，幾乎創(chuàng)下歷史新高。Ld8esmc

　　WSTS數(shù)據(jù)顯示，2022年全球存儲(chǔ)芯片行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為1392億美元，占半導(dǎo)體行業(yè)比重約為20%，僅次于邏輯芯片，成為第二大半導(dǎo)體品類。存儲(chǔ)芯片產(chǎn)品以DRAM和NAND Flash為主，其中DRAM為最大單一品類，其2022年的市場(chǎng)規(guī)模為790.61億美元，市占率為56.8%。在該市場(chǎng)，三星電子、SK海力士及美光三家廠商擁有高達(dá)95%的占有率。Ld8esmc

　　長(zhǎng)期來(lái)看，DRAM和NAND市場(chǎng)需求將持續(xù)增長(zhǎng)

　　DRAM：計(jì)算將推動(dòng)需求增長(zhǎng)

　　盡管2023年DRAM市場(chǎng)將會(huì)走向負(fù)增長(zhǎng)，且下行速度極快。但是長(zhǎng)期來(lái)看，DRAM市場(chǎng)將隨著計(jì)算需求的增長(zhǎng)而持續(xù)上揚(yáng)。Ld8esmc

　　據(jù)Gartner預(yù)測(cè)，2023年全球DRAM市場(chǎng)增幅將下降39.4%，收入總額為476億美元。但該市場(chǎng)將在2024年快速?gòu)?fù)蘇，DRAM收入將隨著價(jià)格的回升而增長(zhǎng)86.8%。另外，Yole Intelligence則預(yù)計(jì)，未來(lái)五年，數(shù)據(jù)中心對(duì) DRAM 的需求將以超過(guò)30%的復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，這將使同期整體DRAM需求每年增長(zhǎng)20% 以上。同時(shí)，隨著5G不斷融入人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用之中，新的計(jì)算需求出現(xiàn)將長(zhǎng)期推動(dòng)DRAM市場(chǎng)增長(zhǎng)。Ld8esmc

　　未來(lái)半年，NAND市場(chǎng)行情與DRAM類似

　　進(jìn)入2023年，NAND供應(yīng)商采取行動(dòng)重新平衡供需動(dòng)態(tài)，他們不僅減少對(duì)市場(chǎng)的出貨量，且大部分供應(yīng)商都宣布削減晶圓廠利用率或減少晶圓開工。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole分析稱，所有供應(yīng)商不僅削減了2023年資本支出，并推遲了路線圖進(jìn)程。其中，僅NAND 資本支出預(yù)計(jì)將同比下降約40%。Yole指出，隨著庫(kù)存水平的正?；貧w以及OEM等采購(gòu)信心的恢復(fù)，將為今年晚些時(shí)候的 NAND復(fù)蘇提供了希望。Ld8esmc

　　不過(guò)，盡管業(yè)界期望消費(fèi)類電子需求下半年企穩(wěn)回升，帶動(dòng)疲軟的NAND市場(chǎng)復(fù)蘇，但是實(shí)際上可能會(huì)被“潑冷水“。Ld8esmc

　　據(jù)分析機(jī)構(gòu)Gartner 今年5月預(yù)測(cè)，未來(lái)6個(gè)月NAND市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)將與DRAM市場(chǎng)類似。需求疲軟和大量供應(yīng)商庫(kù)存將造成供過(guò)于求，導(dǎo)致價(jià)格大幅下跌。因此，2023年NAND收入預(yù)計(jì)將下降32.9%至389億美元。到2024年，由于供應(yīng)嚴(yán)重短缺，NAND收入預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)60.7%。Ld8esmc

　　新需求成為推動(dòng)NAND長(zhǎng)期增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力

　　盡管市場(chǎng)仍在短期內(nèi)受到波動(dòng)，但NAND存儲(chǔ)正迎來(lái)高速增長(zhǎng)期。Ld8esmc

　　在消費(fèi)端，傳統(tǒng)硬盤硬盤 (HDD) 需求不斷被基于 NAND 的固態(tài)硬盤 (SSD)所蠶食。例如這類NAND需求的主要驅(qū)動(dòng)因素包括超大規(guī)模廠商和傳統(tǒng)企業(yè)OEM 的企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤 、個(gè)人電腦和游戲機(jī)越來(lái)越多地采用 SSD，以及智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備需求的持續(xù)推動(dòng)。在企業(yè)需求端(B端)，隨著生成式AI(Generative AI 或 AIGC)以及本地、邊緣和云存儲(chǔ)需求的大幅增長(zhǎng)，將推動(dòng)NAND強(qiáng)勁增長(zhǎng)。Ld8esmc

　　根據(jù)預(yù)測(cè)，2022-2028 年的SSD市場(chǎng)總規(guī)模將從290億美元增加至670億美元，期間復(fù)合年增長(zhǎng)率約為15%。據(jù)Yole指出，包括消費(fèi)類個(gè)人電腦、渠道分銷和游戲系統(tǒng)在內(nèi)的客戶端市場(chǎng)與包括服務(wù)器和存儲(chǔ)附加驅(qū)動(dòng)器在內(nèi)的企業(yè)市場(chǎng)之間的情況將大不相同。未來(lái)幾年，客戶端產(chǎn)品的需求將疲軟，但數(shù)據(jù)中心空間中高級(jí)工作負(fù)載的低延遲存儲(chǔ)需求將推動(dòng)企業(yè)級(jí)SSD的增長(zhǎng)。Ld8esmc

圖1：數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載推動(dòng)異構(gòu)數(shù)據(jù)中心架構(gòu) ，圖片來(lái)源：美光Ld8esmc

　　汽車行業(yè)成存儲(chǔ)增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)

　　根據(jù)分析機(jī)構(gòu)Yole Intelligence預(yù)測(cè)，到 2027年汽車存儲(chǔ)器的收入將增加兩倍，占汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)的17%，2021-2027復(fù)合年增長(zhǎng)率為20%，將超過(guò)同期全球存儲(chǔ)器市場(chǎng)(8%)和汽車半導(dǎo)體(10%)的復(fù)合年增長(zhǎng)率。Ld8esmc

　　資料顯示，目前汽車中的信息娛樂(lè)單元、儀表盤和連接性的駕駛艙是內(nèi)存需求的主要集中區(qū)域;其次，為ADAS & AD 對(duì)內(nèi)存的使用量，這部分需求在2021年就占整車半導(dǎo)體收入的24%。另外，其他關(guān)于動(dòng)力總成、底盤和安全以及車身和舒適性所需的限制最多，則主要使用較為穩(wěn)健的EEPROM和NOR 閃存。Ld8esmc

　　預(yù)計(jì)到2027 年，Cockpit(座艙)仍將是汽車中內(nèi)存的主要消耗者，但ADAS & AD的收入份額將增至36%。屆時(shí)，DRAM和NAND預(yù)計(jì)將占汽車內(nèi)存收入的近90%。Ld8esmc

　　市場(chǎng)需求在變，技術(shù)也在更迭

　　隨著各種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)高速和高性能存儲(chǔ)要求的不斷提升，主流存儲(chǔ)廠商也在積極尋求將NAND架構(gòu)從平面 (2D)轉(zhuǎn)變?yōu)?D結(jié)構(gòu)，以及持續(xù)推進(jìn)層數(shù)的增長(zhǎng)。Ld8esmc

　　所謂3D NAND，就是通過(guò)在垂直堆棧中將多組存儲(chǔ)單元相互層疊以實(shí)現(xiàn)容量遞增。閃存芯片內(nèi)的層數(shù)越多，總存儲(chǔ)容量就越大。目前各大廠商均在制造100層以上芯片，并已研發(fā)和量產(chǎn)了更高層數(shù)的存儲(chǔ)產(chǎn)品。Ld8esmc

　　盡管進(jìn)入時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同，但各主流大廠均取得了不俗成果。Ld8esmc

　　比如，美系廠商美光在2020年11月推出首款176層3D NAND Flash后，又于2022年7月2宣布推出全球首款量產(chǎn)的232層NAND，這也是全球首款突破200層大關(guān)的固態(tài)存儲(chǔ)芯片。Ld8esmc

　　韓系廠商SK海力士自2020年12月完成176層NAND研發(fā)，至2022年8月其又宣布成功研發(fā)了全球首款業(yè)界最高層數(shù)的238層NAND閃存，并于同年展示了首款238層4D NAND。根據(jù)技術(shù)路線，SK海力士3D NAND閃存堆疊層數(shù)將于2025年達(dá)到500層，并于2030年達(dá)到800層以上。三星電子在2022年11月宣布量產(chǎn)236層3D NAND 閃存芯片。三星聲稱，到2030年將打造出1000層的V-NAND。Ld8esmc

　　美日合作共同推進(jìn)。2021年，日系廠商鎧俠與美系西部數(shù)據(jù)共同推出了第六代 162層3D NAND技術(shù)。同年，兩家公司又聯(lián)合在日本投資最新的Fab7工廠，擬進(jìn)一步提升鎧俠的產(chǎn)能。今年3月，雙方再宣布推出第八代BiCS 218層3D NAND，同時(shí)，雙方還計(jì)劃在年內(nèi)展示300多層的3D NAND技術(shù)。Ld8esmc

　　面對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，除技術(shù)升級(jí)之外，產(chǎn)能擴(kuò)張也是提升競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的有效手段。一種方式是投資建廠，比如三星曾宣布持續(xù)擴(kuò)建韓國(guó)的平澤制造基地(Pyeongtaek)，并擴(kuò)大了其在中國(guó)西安的產(chǎn)能;甚至在面臨被中國(guó)制裁禁售之下，美光依然增加了對(duì)位于中國(guó)西安的基地進(jìn)行投資。另一種則是行業(yè)間的整合，比如SK海力士收購(gòu)英特爾的NAND/SSD業(yè)務(wù)(更名為Solidigm)，以及傳聞鎧俠/西部數(shù)據(jù)合并(取代鎧俠獨(dú)立上市)。通過(guò)收購(gòu)英特爾相關(guān)業(yè)務(wù)，SK海力士不僅擁有了前者位于中國(guó)大連NAND閃存制造工廠資產(chǎn)，更重要的是借助于收購(gòu)，其在NAND Flash領(lǐng)域的市場(chǎng)份額超越鎧俠，位居世界第二，僅次于三星。不過(guò)，倘若鎧俠、西部數(shù)據(jù)能成功合并，或?qū)⒃谑袌?chǎng)占有率上扳回一局。Ld8esmc

　　NAND和DRAM技術(shù)路線

　　萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，數(shù)據(jù)需求暴增，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)需求也迎來(lái)大發(fā)展。因此，為了維持NAND更好的性能，更低的成本及更高的密度，業(yè)界正在大量研究新技術(shù)解決方案，其中，包括互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 鍵合陣列 (CBA) 架構(gòu)。例如長(zhǎng)江存儲(chǔ) (YMTC) Xtacking (晶棧)方法。Ld8esmc

　　通常，3D NAND 單元陣列位于其外圍電路(如頁(yè)面緩沖器、感測(cè)放大器、電荷泵和 I/O)旁邊或之上。同時(shí)，從半導(dǎo)體制造的角度來(lái)看，使用相同的制造技術(shù)制造存儲(chǔ)器和外圍邏輯并不完全有效。CBA 和 Xtacking架構(gòu)涉及使用最佳生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)在單獨(dú)的晶圓上生產(chǎn)3D NAND單元陣列和 I/O CMOS，這使其能夠最大限度地提高存儲(chǔ)陣列的位密度和I/O性能。而在Xtacking架構(gòu)問(wèn)世前，市場(chǎng)上的3D NAND主要分為傳統(tǒng)并列式架構(gòu)和CuA(CMOS under Array)架構(gòu)。Ld8esmc

　　2023年3月，鎧俠和西部數(shù)據(jù)宣布了最新3D閃存技術(shù)的詳細(xì)信息。兩家公司開發(fā)了開創(chuàng)性的 CBA(CMOS 直接鍵合到陣列)技術(shù)，其中每個(gè) CMOS 晶圓和單元陣列晶圓都在其優(yōu)化條件下單獨(dú)制造，然后粘合在一起以提供更高的位密度(提高50%以上)和更快的 NAND I/O速度(提高 50% 以上)。Ld8esmc

　　2023年6月，SK海力士宣布已開始量產(chǎn)238層4D NAND閃存，并正在進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證。據(jù)悉，此產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸速度為每秒2.4Gb(千兆比特)，較上一代的速度快50%。Ld8esmc

　　3D封裝技術(shù)采用立體式封裝結(jié)構(gòu),將多個(gè)芯片同層或不同層交叉封裝在一個(gè)封裝體，,增加了芯片之間的連通性和互聯(lián)性，并顯著提升了芯片電路性能。目前，業(yè)界對(duì)于下一代3D封裝準(zhǔn)單芯片基于混合鍵合(Hybrid Bonding)，將集成密度和性能再提升10倍。為此，主流存儲(chǔ)制造商都在使用混合鍵合設(shè)備進(jìn)行研發(fā)。根據(jù)Yole指出，鎧俠和三星等廠商正在將晶圓到晶圓鍵合引入到NAND路線圖中。Ld8esmc

　　據(jù)泛林集團(tuán)(Lam Research)關(guān)于半導(dǎo)體3D發(fā)展趨勢(shì)資料的介紹，邏輯領(lǐng)域的3D過(guò)渡也已經(jīng)開始，F(xiàn)inFET(鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管)技術(shù)讓位于全包圍柵極 (GAA) 晶體管和互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (CFET) 架構(gòu)展示出極大優(yōu)勢(shì)。制造方法和技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步對(duì)于實(shí)現(xiàn)并進(jìn)一步推動(dòng)下一代GAA晶體管、DRAM架構(gòu)和3D NAND器件(目前已包含200多層)的微縮至關(guān)重要。Ld8esmc

　　然而，在3D時(shí)代，半導(dǎo)體微縮非常困難。在單個(gè)工藝腔室中實(shí)現(xiàn)多種功能可能是一個(gè)有效途徑，它需要整合不同的沉積或刻蝕技術(shù)來(lái)處理3D結(jié)構(gòu)的需求，甚至需要同時(shí)整合沉積和刻蝕技術(shù)，以更好地覆蓋3D外形和原位修復(fù)工藝。Ld8esmc

　　不過(guò)，好在技術(shù)進(jìn)程總在持續(xù)推進(jìn)之中。2023年6月9日，Tokyo Electron(東京電子)宣布其開發(fā)團(tuán)隊(duì)(等離子蝕刻系統(tǒng)的開發(fā)和制造基地)已開發(fā)出一種能夠生產(chǎn)存儲(chǔ)器的創(chuàng)新蝕刻技術(shù)先進(jìn)的3D NAND設(shè)備中的通道孔，堆棧超過(guò)400層。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新工藝首次將電介質(zhì)蝕刻應(yīng)用帶到了低溫范圍，產(chǎn)生了具有極高蝕刻速率的系統(tǒng)。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)可在短短33分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)10μm深的高縱橫比(晶圓上形成的圖案的深度與寬度之比)蝕刻。Ld8esmc

圖2：蝕刻后存儲(chǔ)通道孔圖案的橫截面SEM圖像，以及孔底部的FIB切割圖像Ld8esmc

圖片來(lái)源：東京電子Ld8esmc

　　此外，在DRAM業(yè)務(wù)中，目前的共識(shí)是平面微縮——即使通過(guò)極紫外光刻 (EUV) 工藝——也不足以在整個(gè)未來(lái)十年提供所需的位密度改進(jìn)。因此，主要設(shè)備供應(yīng)商和領(lǐng)先的 DRAM 制造商正在考慮將單片3D DRAM(相當(dāng)于3D NAND的DRAM)作為長(zhǎng)期擴(kuò)展的潛在解決方案。根據(jù)Yole推測(cè)，這種新穎的3D技術(shù)可能在2029-2030年期間進(jìn)入市場(chǎng)。不過(guò)，在此之前，該機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)混合鍵合系統(tǒng)開始滲透DRAM設(shè)備市場(chǎng)，用于制造3D堆疊DRAM，例如高帶寬內(nèi)存 (HBM)，可能從 HBM3+ 代開始。Ld8esmc

　　HBM(High Bandwidth Memory，高帶寬內(nèi)存)是一種新型的CPU/GPU 內(nèi)存芯片，其實(shí)就是將很多個(gè)DDR芯片堆疊在一起后和GPU封裝在一起，實(shí)現(xiàn)大容量，高位寬的DDR組合陣列。 高速、高帶寬HBM堆棧沒有以外部互連線的方式與信號(hào)處理器芯片連接，而是通過(guò)中間介質(zhì)層緊湊而快速地連接，同時(shí)HBM內(nèi)部的不同DRAM采用TSV 實(shí)現(xiàn)信號(hào)縱向連接，HBM具備的特性幾乎與片內(nèi)集成的RAM存儲(chǔ)器一樣。Ld8esmc

　　目前，在HBM芯片技術(shù)積累方面，SK海力士與三星在業(yè)內(nèi)領(lǐng)先。例如SK海力士于2014年在業(yè)界首次成功研發(fā)HBM1，至2022年其HBM3芯片已向英偉達(dá)供貨。Ld8esmc

　　根據(jù)SK海力士有關(guān)異構(gòu)集成半導(dǎo)體封裝技術(shù)資料的介紹，在堆疊競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期，SK海力士的CoC(Chip-on-Chip,芯片內(nèi)建芯片)技術(shù)表現(xiàn)尤為突出，這項(xiàng)技術(shù)將凸塊互聯(lián) (Bump Interconnection)與引線鍵合(Wire Bonding)相結(jié)合，在提高運(yùn)行速度和降低成本方面實(shí)現(xiàn)了突破。如今，該技術(shù)已專門應(yīng)用于SK海力士高密度模塊的生產(chǎn)和量產(chǎn)。Ld8esmc

圖3：SK海力士最新封裝技術(shù)， 圖片來(lái)源：SK海力士Ld8esmc

　　進(jìn)入融合時(shí)期，SK海力士正積極發(fā)展混合鍵合(Hybrid Bonding)技術(shù)采用Cu-to-Cu(Copper-to-Copper, 銅-銅)鍵合替代焊接。SK海力士也在研究采用Fan-out RDL(Redistribution Layer,扇出型重新分配層)技術(shù)等各種封裝技術(shù)方案?；旌湘I合技術(shù)可以進(jìn)一步縮小間距，同時(shí)作為一種無(wú)間隙鍵合(Gapless Bonding)技術(shù)，在芯片堆疊時(shí)不使用焊接凸塊(Solder Bump)，因此在封裝高度上更具優(yōu)勢(shì)。此外，扇出型RDL技術(shù)適用于多個(gè)平臺(tái)，SK海力士計(jì)劃將該技術(shù)用于芯粒(Chiplet)技術(shù)為基礎(chǔ)的集成封裝。線間距(Line Pitch)和多層(Multi-Layer)是扇出型技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，SK海力士計(jì)劃到2025年將確保1微米以下或亞微米(Sub-micron)級(jí)水平的RDL技術(shù)。Ld8esmc