3D NAND国产替代深度报告（附链接）-技术圈

数据存储离不开存储器，存储器分为易失性存储器和非易失性存储器。在电子产品中，所有信息都是通过组合“0”或“1”的方式进行表达，而存储器则是存储这些电信号的地方。通过判断存储器断电后数据是否依旧被保存来区分这两种存储器。

易失去性存储器（Volatile Memory, VM）在断电后数据随即丢失，静态随机存取存储器(SRAM）和动态随机存取存储器 (DRAM) 是 VM 中两种具备代表性的产品。非易失性存储器（Non-volatile Memory, NVM）在断电后数据依然依旧保存在存储器内，闪速存储器 (Flash Memory)则是 NVM 的代表产品之一。

闪速存储器已经成为主流存储器之一。闪速存储器是一种电子式可清除程序化只读存储器，其支持多次的擦除及写入。主要应用于一般性数据存储，在计算机及电子产品中被广泛使用。根据市场销售规模，闪速存储器销售占比约为 45%，成为继 DRAM 外第二大储存器产品，是主流存储器之一。

闪速存储器种类众多，NAND Flash 占据主要位置。闪速存储器虽然有众多类型，但主要为 NOR Flash 和 NAND Flash。两者之间的区别在于存储单元连接方式不同，导致两者读取方式不同。NOR Flash 以“字”为单位，具有芯片内执行的能力。但在块读/写上则有不足，所以主要用于小容量代码闪存领域。而 NAND Flash 在块读/写上具备优势，所以其主要用在大容量存储领域。根据销售额，NAND Flash 产品销售额在存储器中占比约为 42%，成为闪速存储器中占比最大的细分产品。

不同存储单元性能有所差异。NAND Flash 有三种类型的储存单元，数据是以位的方式储存在存储单元内。储存单元有单层单元（SLC）、多层单元（MLC）、三层单元（TLC）和四比特单元（QLC），单元存储量依次上升，但单元擦/写寿命则依次下降。而存储量上升致使寿命下降的原因是存储器工作时需要使用更多的电压值来实现更多数据的写入，电压控制的难度将会增大，从而降低硬件使用寿命。随着 TLC 技术的成熟，叠加 3D NAND 技术加持，使得部分 TLC 产品擦写使用寿命已经与 MLC 产品相当，这将对 TLC 产品的推广将起到重要的促进作用。而 QLC 则是在追求更低单位成本下所开发的存储单元，但其擦/写寿命仍有待提升。

NAND Flash 是集成电路的一种。NAND Flash 属于半导体产品，是集成电路的一种。所以，NAND Flash 的生产和其他半导体产品一样，都基于对硅材料进行加工，经过设计、封装、测试等步骤，最终成为芯片产品。在晶圆加工环节，通过半导体加工工艺，每片晶圆上有数百颗 NAND Flash 芯片。这些由无数个晶体管电路组成的芯片称为 Die，每个 Die 都是一个独立的功能芯片。

NAND Flash 容量结构从大到小可依次分为 Device、Die、Plane、Block 和 Page。一个 Device 有若干个 Die，每个 Die 有若干个 Plane，每个 Plane 有若干个 Block，每个 Block 有若干个 Page。而一个 Page 中包含着多个 Cell，Cell 是 Page 中的最小操作擦写读单元，对应一个浮栅晶体管，这些晶体管的存储量决定于存储单元的类型。

摩尔定律限制 2D 发展，3D 成破解瓶颈利器。由于 NAND Flash 是集成电路的一种，所以其发展遵循摩尔定律，即当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔 18-24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。由于 NAND 工艺的不断发展，制程已经进入到 1x/1y nm，甚至 1z nm 阶段。但工艺的进步在扩大容量和降低成本的同时，可靠性及性能都在下降。由于需要额外手段来弥补可靠性，在制造成本及性能上已经难以通过提升制程以获得优势。而 3D 工艺使得 NAND Flash 的发展出现转机，打破为提升容量而不断微缩晶体的发展路径，突破发展瓶颈。

2D 与 3D 是 Die 内部的排列方式不同。对于 2D NAND 和 3D NAND 的区分则是颗粒在单 Die 内部的排列方式，其中 2D 是按照传统二维平面模式进行排列闪存颗粒的，而 3D 则是在平面的基础上进行堆叠形成立体的排列。3D NAND 堆叠可采用简单堆叠（Simple Stack）、垂直沟道(VC)和垂直栅极(VG)三种方式进行堆叠。存储单元采用浮栅晶体管单元（Floating Gate, FG）或者电荷俘获型单元（Charge Trap Flash, CTF）。相较于 FG,CTF 由于拥有较高可靠性和更小的体积，所以基于此考虑，则 CTF 更适合 3D NAND。

3D NAND 在性能和成本上有较大优势。由于 3D NAND 采用了立体结构，与 2D NAND 采用平面化结构相比，利用现有制程在单 Die 内堆叠更多存储单元，即使用 3D 存储单元阵列来提高单元密度和数据容量。此外，3D NAND 技术的应用不仅使得产品在性能上有一定的提升，在功耗上也存在较大幅度下降。在成本端，3D NAND 每单位容量成本得到降低。制程提升已不是 3D NAND 技术的主要诉求，通过更为先进的堆叠技术来封装更多存储单元能提供容量，能进一步降低单位容量成本。所以，3D NAND 正向更高堆叠层数发展。

总结：由于集成电路发展受到摩尔定律约束，而 NAND Flash 作为集成电路的一种在 2D 层面发展受到了制约。虽然制程提升使得 Planar NAND 在 1x/1y /1z nm 上得到一定发展，但未能有效突破发展瓶颈且面临一系列挑战。而 3D NAND 技术使得 NAND Flash 进入到一个全新发展阶段，突破原有需要不断对晶体进行微缩而达到扩容的瓶颈，通过对晶体进行堆叠而实现单体容量提升。此外，3D 技术还能降低单位容量成本。3D NAND 技术使得 NAND Flash 发展空间得到提高。

目前，各原厂商都在对 3D NAND 产品的各项指标进行优化，包括读写速度、容量、功耗等。此外，对于成本控制也是原厂需要考虑的因素之一。各原厂对于技术和成本的追求，将有助于其保持和巩固市场。

技术迭代有助于容量提升，规模化生产将降低成本。增加存储孔密度、增加存储单元密度、逻辑扩展增加比特密度是目前扩大存储容量的三个主要有效方法。三种维度增加容量的效果各不相同，从 64 层扩展到 96 层时，存储孔密度大概增加了 10%;存储单元密度增加了 68%；TLC 比特密度增加了 65%。

综合这三种方法就可以看到整个闪存容量的增长了。根据各代产品发展情况，3D NAND 单位面积存储容量在不断增大。从三星量产 32 层 128Gb 存储容量为 1.86 Gb/mm²，到目前东芝存储堆积到 128 层 512Gb 存储容量为 7.8 Gb/mm²，单位存储容量提升已达到逾 4 倍。此外，在 Die 容量相同情况下，由于单位面积存储容量提升，单 Die 尺寸将会缩小。所以在相同尺寸的晶圆上，Die 产量将会得到提升。技术迭代在提升单位面积容量的同时，通过规模化生产降低制造成本，将对原厂形成内在激励。

国际原厂引领 3D NAND 技术发展。在 NAND Flash 市场中，三星、东芝存储、镁光、SK 海力士、西部数据、英特尔这六家原厂长期垄断着全球 99％以上的份额。此外，国际原厂持续引领着 3D NAND 技术研发，形成了较为厚实的技术壁垒。但各原厂在设计方案上的差别将会对其产出产生形成一定影响。

部分领先厂商已完成 128 层产品研发并率先投放市场。128 层 3D NAND 是 96 层下一代技术节点，而对于这一个节点的技术研发，三星和 SK 海力士已取得了一定优势。三星在 2019 年 6 月就推出了第六代 V-NAND（128 层 256Gb 3D TLC NAND），8 月份宣布基于该技术已批量生产 250GB SATA SSD，而在 11 月实现了第六代 128 层 512Gb TLC 3D NAND 的量产。对于 SK 海力士而言，其在 2019 年 6 月份宣布推出首款 128 层 TLC 4D NAND， 11 月份向主要客户交付基于 128 层 1Tb 4D NAND 的工程样品并较预期提前量产。

国际龙头公司垄断 NAND Flash 市场。由于领先集团对 NAND Flash 技术尤其是 3D NAND 技术进行封锁，所以其对 NAND Flash 市场具有垄断地位。在销售数据方面，虽然六大原厂市场份额有浮动，但其占据着超过 99%市场份额。根据 2019Q4 销售数据，目前三星占据着最大市场份额，规模达到 35.5%；其次分别为铠侠、西数和镁光，市场份额均超过 10%。对于国产品牌而言，由于 3D NAND 技术尚未达到领先水平，市场份额有待提升。根据中国闪存市场预测，2021 年长江存储有望打破国外领先原厂对 NAND 市场垄断局面，将获得约 5%市场份额。