3D NAND層數(shù)，越來(lái)越多

2022年是NAND閃存的35周年。IC Insights最新的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2022年NAND閃存資本支出將達(dá)到299億美元，增幅8%，超過(guò)2018年278億美元的歷史最高記錄。而299億美元規(guī)模則占2022年整個(gè)集成電路行業(yè)資本支出1904億美元的16%，僅落后于晶圓代工行業(yè)。 EL8esmc

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圖片來(lái)源：IC InsightsEL8esmc

下表顯示了幾大NAND制造商的3D NAND層數(shù)主要計(jì)劃：EL8esmc

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圖片來(lái)源：Blocks & FilesEL8esmc

行業(yè)人士預(yù)測(cè)，三星電子將有望在現(xiàn)有176層3D NAND的基礎(chǔ)上，于2022年底推出200層甚至更多層的第8代NAND閃存，并借此成為第一家通過(guò)在128層單堆棧中增加96層來(lái)發(fā)布224層NAND閃存的芯片制造商。與 176層相比，224層NAND閃存的生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)傳輸速度將提高30%。EL8esmc

美光176層3D NAND閃存自2020年11月批量出貨以來(lái)，在數(shù)據(jù)中心、移動(dòng)設(shè)備中得到了廣泛采用。該公司計(jì)劃在2022年末開(kāi)始量產(chǎn)的232層NAND芯片采用3D TLC架構(gòu)，原始容量為1Tb(128GB)。該芯片基于美光CuA(CMOS under array)架構(gòu)，并使用NAND串堆疊技術(shù)在彼此之上構(gòu)建兩個(gè)3D NAND陣列。CuA架構(gòu)設(shè)計(jì)加上232層NAND，大大減少了美光1Tb 3D TLC NAND存儲(chǔ)器的裸片尺寸和生產(chǎn)成本，使美光能夠具有芯片定價(jià)權(quán)。EL8esmc

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圖片來(lái)源：美光EL8esmc

但美光沒(méi)有公布232層 3D TLC NAND IC的I/O速度或平面數(shù)量，只是暗示與現(xiàn)有的3D NAND設(shè)備相比，新的內(nèi)存將提供更高的性能和更低的功耗，這對(duì)采用PCIe 5.0接口的下一代SSD特別有用。而從美光公布的NAND技術(shù)路線(xiàn)圖可以看出，在2YY層量產(chǎn)穩(wěn)定后，美光將繼續(xù)3XX架構(gòu)開(kāi)發(fā)，并積極探索4XX的實(shí)現(xiàn)路徑。在此基礎(chǔ)上，其3D NAND路線(xiàn)圖也被規(guī)劃到了500層。 EL8esmc

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圖片來(lái)源：美光EL8esmc

據(jù)TechPowerup報(bào)道，西部數(shù)據(jù)與鎧俠(Kioxia)合作開(kāi)發(fā)的第六代162層BiCS Flash將會(huì)在今年量產(chǎn)，屆時(shí)將可實(shí)現(xiàn)單片晶圓100TB容量的能力，相比2020年的70TB有所增加。接下來(lái)，雙方計(jì)劃在2024年推出堆疊層數(shù)200層以上的BiCS+產(chǎn)品，主要用于數(shù)據(jù)中心，有望比目前的第六代162層BiCS Flash傳輸速度提高60%，每片晶圓的容量也將提高55%。到2032年，將出現(xiàn)500層堆疊的NAND閃存。EL8esmc

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圖片來(lái)源：西部數(shù)據(jù)EL8esmc

不過(guò)，鎧俠方面此前在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)曾表示，也許很多人覺(jué)得層數(shù)是3D閃存容量最關(guān)鍵的參數(shù)，但這種看法并不完全正確，因?yàn)閷訑?shù)增加會(huì)帶來(lái)制造成本的直線(xiàn)上升，而業(yè)界對(duì)性?xún)r(jià)比型的閃存需求一直存在。EL8esmc

SK海力士最新的3D NAND是512Gb 176層堆疊的3D NAND，隨著對(duì)企業(yè)存儲(chǔ)應(yīng)用的日益關(guān)注，SK海力士預(yù)計(jì)將在2023年遷移到196層。不過(guò)在2021年3月的IEEE國(guó)際可靠性物理研討會(huì)上，SK海力士CEO李錫熙說(shuō)，“通過(guò)改進(jìn)DRAM和NAND各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，將來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)10nm以下的DRAM工藝和堆疊600層以上的NAND。”EL8esmc

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圖片來(lái)源：SK海力士EL8esmc

國(guó)內(nèi)方面，長(zhǎng)江存儲(chǔ)用短短3年時(shí)間實(shí)現(xiàn)了從32層到64層再到128層的跨越，而近期據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，長(zhǎng)江存儲(chǔ)已向少數(shù)客戶(hù)交付了其內(nèi)部開(kāi)發(fā)的192層3D NAND閃存樣品。EL8esmc

總的來(lái)看，閃存資本支出在2017年開(kāi)始飆升，當(dāng)時(shí)該行業(yè)正向3D NAND轉(zhuǎn)型，此后每年都超過(guò)200億美元。隨著NAND閃存供應(yīng)商準(zhǔn)備從2022年底到2023年進(jìn)入200層以上產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，一批NAND閃存工廠(chǎng)也進(jìn)入了新建和升級(jí)名單中，包括：三星的Pyeongtaek Lines1和2(也用于DRAM和代工)；三星在西安的二期投資；鎧俠在日本巖手的Fab6和FabK1，以及美光在新加坡的第三家閃存工廠(chǎng)。此外，SK海力士為其M15工廠(chǎng)的剩余空間配備了NAND閃存。EL8esmc

晶圓尺寸，越來(lái)越大

寬禁帶半導(dǎo)體晶圓尺寸由6英寸向8英寸升級(jí)正成為行業(yè)趨勢(shì)，最新的消息包括：EL8esmc

——4月26日，Wolfspeed宣布其位于美國(guó)紐約州莫霍克谷(Mohawk Valley)的SiC制造工廠(chǎng)正式開(kāi)業(yè)，這是全球首座且規(guī)模最大的200mm SiC工廠(chǎng)；EL8esmc

——5月6日，半導(dǎo)體材料企業(yè)Soitec發(fā)布了其首款200mm碳化硅SmartSiC™晶圓；EL8esmc

——5月9日，業(yè)內(nèi)消息稱(chēng)，聯(lián)電近期正大舉購(gòu)置新機(jī)臺(tái)，加速布局8英寸晶圓寬禁帶半導(dǎo)體制造，預(yù)計(jì)下半年陸續(xù)進(jìn)廠(chǎng)；EL8esmc

此外，在硅基氮化鎵領(lǐng)域，泰科天潤(rùn)湖南生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)了全球首家8英寸硅基氮化鎵IDM量產(chǎn)線(xiàn)，目前已經(jīng)大規(guī)模出貨。公司計(jì)劃投資60億元擴(kuò)建蘇州8英寸氮化鎵研發(fā)生產(chǎn)基地，全線(xiàn)投產(chǎn)后將形成年產(chǎn)78萬(wàn)片功率控制電路及半導(dǎo)體電力電子器件的產(chǎn)能。而全球最大的8英寸硅基氮化鎵晶圓制造商英諾賽科在完成30億元的D輪融資之后，計(jì)劃在2025年之前將月產(chǎn)能由當(dāng)前的10000片/月提升到70000片/月。EL8esmc

與半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)力12英寸硅晶圓的目標(biāo)類(lèi)似，由6英寸向8英寸的升級(jí)將有利于寬禁帶半導(dǎo)體大幅降低成本。以碳化硅為例，和傳統(tǒng)的硅器件相比，碳化硅生長(zhǎng)緩慢，尺寸小(6英寸為主，少量8英寸有商業(yè)化，而硅則是12英寸)，因此成本居高不下。加之目前應(yīng)用領(lǐng)域有限，而且是最近一兩年才開(kāi)始爆發(fā)式增長(zhǎng)，因此產(chǎn)能的擴(kuò)張明顯落后于需求的增長(zhǎng)，規(guī)模效應(yīng)還沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。EL8esmc

當(dāng)前，寬禁帶半導(dǎo)體制造商科銳、意法半導(dǎo)體、英飛凌、羅姆等SiC頭部企業(yè)大多采用IDM模式，積極擴(kuò)充產(chǎn)能是行業(yè)發(fā)展“關(guān)鍵詞”。Trendforce集邦咨詢(xún)的化合物半導(dǎo)體分析師龔瑞驕指出，“SiC襯底具有極高的產(chǎn)品附加值，另外其制程技術(shù)復(fù)雜，它的晶體生長(zhǎng)速度也非常緩慢，是SiC晶圓產(chǎn)能的關(guān)鍵制約點(diǎn)。未來(lái)我們認(rèn)為取得SiC襯底資源將是進(jìn)入下一代電動(dòng)車(chē)功率器件的入場(chǎng)門(mén)票。”EL8esmc

稍早之前，2022年2月，英飛凌宣布斥資逾20億歐元，在馬來(lái)西亞居林工廠(chǎng)建造第三個(gè)廠(chǎng)區(qū)。建成之后，新廠(chǎng)區(qū)將用于生產(chǎn)碳化硅和氮化鎵功率半導(dǎo)體產(chǎn)品，每年可為英飛凌創(chuàng)造20億歐元的收入。EL8esmc

ST也在繼續(xù)投資擴(kuò)建在意大利Catania和新加坡的SiC產(chǎn)能，計(jì)劃到 2024年將SiC晶圓產(chǎn)能提高到2017年的10倍，以支持眾多汽車(chē)和工業(yè)客戶(hù)的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)計(jì)劃。EL8esmc

羅姆在日本阿波羅筑后和宮崎新工廠(chǎng)將于2022年投入運(yùn)營(yíng)，預(yù)計(jì)可提高SiC器件產(chǎn)能5倍以上。此外，羅姆還將在2023年8月把馬來(lái)西亞的半導(dǎo)體工廠(chǎng)產(chǎn)能擴(kuò)大1.5倍，計(jì)劃到2023年8月建成。EL8esmc

可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著IDM企業(yè)、晶圓代工企業(yè)與本土新興勢(shì)力的共同參與，寬禁帶半導(dǎo)體的制造規(guī)模將得到進(jìn)一步擴(kuò)大，繼而引發(fā)連鎖效應(yīng)，提升上游晶片、原材料、設(shè)備需求量的同時(shí)，大幅降低規(guī)?；a(chǎn)成本。EL8esmc

PMIC芯片，8英寸轉(zhuǎn)向12英寸

據(jù)臺(tái)灣電子時(shí)報(bào)報(bào)道稱(chēng)，多個(gè)采用8英寸晶圓制程工藝的電源管理芯片產(chǎn)品已轉(zhuǎn)向12英寸，且高通、蘋(píng)果、聯(lián)發(fā)科等大客戶(hù)進(jìn)入12英寸制程后已陸續(xù)放棄此前爭(zhēng)取到的8英寸產(chǎn)能。EL8esmc

消息人士稱(chēng)，隨著高通和聯(lián)發(fā)科等尋求轉(zhuǎn)向12英寸制造電源管理芯片，二三線(xiàn)晶圓廠(chǎng)將在2023年釋放更多可用的8英寸產(chǎn)能，雖然今年晶圓代工產(chǎn)能不會(huì)松動(dòng)，但2023年二三線(xiàn)代工廠(chǎng)有望空出更多8英寸產(chǎn)能。EL8esmc

根據(jù)集邦咨詢(xún)的調(diào)研，大部分PMIC基于8英寸0.18-0.11微米工藝制造。早在疫情之前，8英寸產(chǎn)能的緊缺就暴露了出來(lái)。2016前后，電動(dòng)車(chē)等新應(yīng)用刺激出大量包括PMIC在內(nèi)的“小芯片”需求，讓本該被12英寸替代的8英寸產(chǎn)能落入緊缺。2020年缺芯潮爆發(fā)，加劇了這一結(jié)構(gòu)性短缺，導(dǎo)致包括PMIC在內(nèi)的一系列小芯片嚴(yán)重缺貨漲價(jià)。EL8esmc

芯片廠(chǎng)對(duì)于8英寸晶圓的擴(kuò)產(chǎn)，主要是用“去瓶頸化”的方式增加少量產(chǎn)能。據(jù)集邦咨詢(xún)預(yù)測(cè)，2020至2025年全球前十大晶圓廠(chǎng)8英寸等效晶圓產(chǎn)能復(fù)合年增長(zhǎng)率僅3.3%，相比之下12英寸的年增量是10%。由此可見(jiàn)，各廠(chǎng)擴(kuò)產(chǎn)重心早就放在12英寸之上。EL8esmc

制程工藝，越來(lái)越小

3nm工藝是2022年晶圓代工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)。EL8esmc

臺(tái)積電在最新的3nm工藝上繼續(xù)選擇采用FinFET晶體管架構(gòu)，主要基于兩方面的考慮：一是希望通過(guò)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的不斷創(chuàng)新，用新的方式持續(xù)提升FinFET的性能；二是希望客戶(hù)能夠盡快的無(wú)縫升級(jí)技術(shù)和產(chǎn)品以獲得更優(yōu)的體驗(yàn)。與5nm相比，預(yù)計(jì)將于2022年下半年開(kāi)始量產(chǎn)的3nm工藝速度提升10%-15%，功耗降低25%-30%，邏輯密度是前者的1.7倍，SRAM密度提升20%，模擬密度提升了10%。 EL8esmc

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圖片來(lái)源：臺(tái)積電EL8esmc

而三星電子的計(jì)劃是在2022年上半年開(kāi)始生產(chǎn)首批3nm芯片，第二代3nm芯片預(yù)計(jì)將于2023年開(kāi)始生產(chǎn)。三星電子3nm GAA工藝將采用MBCFET晶體管結(jié)構(gòu)，與5nm工藝相比，面積減少35%，性能提高30%，功耗降低50%。根據(jù)規(guī)劃，三星將于2025年推出基于MBCFET的2nm工藝，而臺(tái)積電的規(guī)劃則是在2025年如期量產(chǎn)2nm晶圓。EL8esmc

在2021年引入新制程節(jié)點(diǎn)命名之后，英特爾的Intel 4將在2022年下半年投產(chǎn)，并于2023年出貨，這些產(chǎn)品包括面向客戶(hù)端的Meteor Lake和面向數(shù)據(jù)中心的Granite Rapids；將于2023年下半年開(kāi)始量產(chǎn)的Intel 3，憑借FinFET的進(jìn)一步優(yōu)化和在更多工序中增加對(duì)EUV使用，較之Intel 4將在每瓦性能上實(shí)現(xiàn)約18%的提升，在芯片面積上也會(huì)有額外改進(jìn)。EL8esmc

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近日，有媒體報(bào)道稱(chēng)，臺(tái)積電宣布啟動(dòng)1.4nm芯片制程工藝的開(kāi)發(fā)，將在今年6月將其3nm工藝研發(fā)團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)為1.4nm工藝研發(fā)團(tuán)隊(duì)。而與此同時(shí)，有消息稱(chēng)，三星對(duì)此也將采取相應(yīng)措施。EL8esmc

不過(guò)，相比之下，英特爾的規(guī)劃則更為激進(jìn)，將在2024年推出的Intel 20A和將于2025年初推出的Intel 18A將標(biāo)志著半導(dǎo)體制造業(yè)“開(kāi)啟埃米時(shí)代”。EL8esmc