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半导体专题之NAND Flash芯片

时间:2024-01-03 19:50来源:路科验证 作者:ictest8_edit 点击:

 

只读存储器(ROM)是只能读取实现存储的信息的存储器。断电后所存数据不会丢失,根据可编程、可抹除功能,ROM可分为PROM、EPROM、OTPROM、EEPROM和Flash等。Flash是当前主流的存储器,具备电子可擦除可编程的性能,能够快速读取数据而且断电时不会丢失数据,往往与DRAM搭配使用。Flash可进一步细分为NAND Flash和NOR Flash。NAND Flash是只读存储器中的主流。

一、NAND的演变:从2D NAND3D NAND

(一)NAND分类:NAND FlashNOR Flash

NAND Flash写入和擦除的速度快,存储密度高,容量大,但不能直接运行NAND Flash上的代码,适用于高容量数据的存储。

NOR Flash优势是芯片内执行——无需系统RAM就可直接运行NOR Flash里面的代码,容量较小,一般为1Mb-2Gb

 

(二)发展趋势:高密度存储、3D堆叠

1、3D NAND发展仅十余年,主流厂商快速扩张中

3D NAND2014年开始商业化量产,主流厂商基本实现产品转换。2007年,东芝最早推出BiCS类型的3D NAND。2013年三星推出第一代V-NAND类型的3D NAND。2014 年,SanDisk 和东芝宣布推出3D NAND生产设备,三星率先发售32层MLC 3D V-NAND,至此3D NAND市场开始快速扩张。

 

3D NAND存储单元向TLCQLC等高密度存储演进。NAND Flash根据存储单元密度可分为SLC、MLC、TLC、QLC等,对应 1 个存储单元分别可存放1、2、3 和 4bit的数据。存储单元密度越大,寿命越短、速度越慢,但容量越大、成本越低。目前NAND FlashTLC为主,QLC比重在逐步提高

 
 

 半导体存储器发展已有55年,其中DRAM发展已有55年,Flash发展已有40年,由于2D NAND和3D NAND技术差别巨大,实际上3D NAND发展历史仅仅十余年,技术成熟度远不如DRAM

2、3D NAND技术的优点

(1)3D堆叠大幅提升容量,相同单元密度下寿命较2D结构延长

3D NAND是一项革命性的新技术,首先重新构建了存储单元的结构,并将存储单元堆叠起来。3D NAND带来的变化有:1)总体容量大幅提升;(2)单位面积容量提高。对于特定容量的芯片,3D NAND所需制程比2D NAND要低得多(更大线宽),因而可以有效抑制干扰,保存更多的电量,稳定性增强,例如同为TLC的3D NAND寿命较2D NAND延长。

 

(2)工艺制程演进相对缓慢,3D堆叠层数增长迅速

从2014年到2020年,各家厂商3D NAND堆叠层数从32层增长至128层,大致3年层数翻一倍,而工艺制程在2D NAND时期就达到19nm,转换成3D NAND工艺制程倒退至20-40nm,而后又逐步往更高制程演进,制程演进相对逻辑芯片较慢从制程上看,主流厂商的3D NAND芯片使用20-19nm的制程,从技术上看,20nm左右的制程最适合3D NAND制程节点小了之后,每个存储单元能容纳的电子数量就会变少,发展到一定阶段之后,闪存就很容易因为电子流失而丢失其中保存的数据

 

2022年,美光技术与产品执行副总裁ScottDeBoer与高管团队宣布美光下一代232层NAND闪存将于2022年底前实现量产。2023年三星电子宣布计划在明年生产第9代V-NAND闪存,这款闪存将采用双层堆栈架构,并超过300层。今年8月,SK海力士表示将进一步完善321层NAND闪存,并计划于2025年上半期开始量产。

 

堆叠层数仍有较大提升空间。按照SK海力士的预测,3D NAND在发展到层数超过600层的阶段时才会遇到瓶颈,目前市场上主流产品低于200层,未来技术升级空间较大。

 

主流厂商基本实现从2D NAND到3D NAND的产品转换,三星电子领先1-2年。从2014年3D NAND量产开始,到2018年主要NAND厂商基本完成从2D到3D的产品转换。2018年NAND Flash厂商三星电子、东芝/西部数据、美光、英特尔等原厂的3D NAND生产比重己超过80%,美光甚至达到90%。目前,各家厂家已实现128层(铠侠和西部数据是112层)的量产,176层正成为主流,2XX层以上的研发和量产正在推进,其中三星研发进度最为领先,比其他厂商领先1-2年。

二、NAND Flash下游及推动力

NAND Flash 下游市场中,计算、无线通讯、消费和工业分别占 54.8%、34.1%、6.1%、2.6%。

 


根据招商证券测算,AI 服务器相较普通/高性能服务器对 NAND 容量大约有 2-4 倍的拉动。

由于机械硬盘持续进行成本优化,普通服务器依然会配备较多的机械硬盘,而高性能服务器和AI服务器对于存储速度、准确性等提出更高要求,因此主要配备固态硬盘。

从容量上看,传统服务器NP5570M5最多支持16块2.5英寸SAS硬盘或4块3.5英寸SATA硬盘,SAS硬盘支持300GB/600GB/1TB/1.2TB/1.8TB/2.4TB容量,SATA硬盘支持1/2/4/6/8TB容量,按照中间容量测算,系统硬盘容量大约共8-16TB;高性能NF5280M6型号最大支持20块3.5英寸硬盘,系统硬盘容量大约20TB;AI服务器采用的硬盘容量大约30TB,相较传统服务器NAND容量提升大约2-4

 

进一步推算:

1)基础型服务器:根据IDC,基础型服务器中CPU、内存和硬盘的占比最高,根据英特尔,典型的x86服务器—E5高配服务器的成本中硬盘、CPU和内存成本占比分别为31%、28%和21%。例如浪潮NF5270M5售价大约39000元,采用2颗XeonSilver4214CPU,每颗售价大约1000美金,CPU成本占比大约32%;配置16个32GBDDR4,按单GB成本3美金计算,DRAM成本占比大约26%;最大支持252.5英寸硬盘,按照每块硬盘512GB1TBSATA40美元计算,硬盘总价值量占比大约20%

2)AI服务器:以英伟达DGXA100系统为例,售价大约19.5万美金,含有2颗AMD Rome7742,每颗售价大约7000美金,价值量占比大约7%;含有8颗A100 GPU,每颗GPU售价大约1-1.5万美元,GPU价值量占比大约40-50%;CPU采用2TB的DDR4,价值量占比大约3-4%;GPU配置共640GB HBM2E,假设单GB价值量15-20美金,价值量占比大约5-8%;操作系统配备21.9TB SSD,内部配备83.84TB SSD,按照11.92TB数据中心SSD 650美元、13.84TB数据中心SSD 1200美元测算,硬盘价值占比大约6%

 
 

三、相关标的
1、存储芯片:兆易创新、北京君正、东芯股份
2、存储经销:香农芯创、雅创电子
3、AI服务器及HBM配套:国芯科技、澜起科技、创益通
附:AI 服务器存储及先进封装产业链上市标的

 
 
 
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