NAND??行业里的one pick——容量 or 收益

富国银行分析师Joe Quatrochi对外发布了一份描述NAND行业产能增长状况的说明。起因是投资者对公开报价的NAND行业供应商的好奇心。

使用半导体技术（如气相沉积和蚀刻）在晶圆上快速构建闪存裸片（flash die）。闪存代工运营商面临一个难题——如何提高容量满足用户需求？

目前有五种方法。一种是通过在晶圆上构建3D NAND裸片，通过增加层数增加容量。第二种是增加单位单元存储的比特位——比如从TLC变成QLC。

第三种是缩小NAND裸片的单元物理尺寸，这也意味着每个晶圆上的裸片数量会越来越多。但单元要有存储重写值的可靠性，而在写周期方面的耐用性会随着进程大小以及单元存储比特数的增加而降低，然后开始出现瓶颈。

NAND行业平均参考指标

第四种制造商制造出更多的晶圆，以每月晶圆产能（wspm）计算，这意味着一旦晶圆厂的晶圆产能得到充分分配，就要建造新的晶圆厂。

第五种是同时选择两个或多个以上选项——增加层级，单位单元比特数，物理大小以及晶圆月产能。

业内不同工艺制程的写入周期

Quatrochi的研究深入了解了这些选择中所涉及的问题。

层数增加

增加层数意味着进程的复杂性和处理时间的增长。64层裸片上蚀刻要比96层的容易，并且随着层数增加到112、128、144层，难度会依次增加。这意味着裸片的良率可能会大大下降。相应地产量下降会导致每TB NAND的成本上升。

NAND供应商及其已知的层级发展阶段

Quatrochi提到了一个纵横比的问题，他指出，3D NAND的垂直堆叠属性使其越来越依赖蚀刻工艺的精度平衡更高的纵横比，同时沉积实现晶圆上薄膜的一致性更加困难。

纵横比随着层数增加而提升，预计一个96层设备纵横比约为70：1（相对64层为60：1）。纵横比的持续增加会导致在沉积和蚀刻步骤中出现许多潜在问题，包括各层厚薄不均，蚀刻不完全（打孔未到达底部），弯曲，扭曲及顶部和底部之间线宽变化。

这些问题可能会导致裸片失效，降低晶圆成品率。添加层数还会增加处理时间，代表增加成本。

Quatrochi在说明中称，随着处理时间的增加/额外的处理进程，层数增加将导致更低的晶圆产能。例如，据估计128层单层蚀刻的时间是96L蚀刻时间的2倍。

如果每台机器花5天时间来制造一个晶圆，那么你可以达到6个的月度晶圆产能（平均每月30天）。如果花10天时间则产能减半。供应商不得不考虑如果他们的机器用两倍的时间来制造晶圆，通过增加层数让每个裸片容量增加30％，实际发售容量是否真的在增加。

解决由层数增加引起的制造问题的一种方式是字符串堆叠（string stacking）。就是把两个48层裸片叠加制造96层的。这样减小了孔蚀刻深度。

但字符串堆栈不是长久之计，字符串堆栈通过增加进程可能增加30％+的成本。容量相对提升了，但很难平衡进程时间和成本增加。

随着层数的增加和计算变得更加复杂都在成为裸片成品率下降的因素。随着制造工艺的调整，产量往往会随着时间的增长而增加，但这并非精准科学。

单元比特位

另一个复杂因素是单元存储的比特位数量。如上所述，从SLC到MLC（每单元存储2个比特位）的升级，容量的增加是100％。转向TLC（每单元3个比特位）获得50％的容量提升。但从TLC到QLC（每单元4个比特位）的过渡意味着容量提高33％，而从QLC到PLC（每单元5个比特位）则增加25％，下一次可能只是20％。

实际产能（每个晶圆的TB容量）可能与理论收益有所不同。Quatrochi表示， QLC 3D NAND 晶圆容量估计达70TB。西部数据的112层QLC NAND容量估计比TLC 112层高40％。这比我们注意到的理论上33％增长要高。

单元存储NAND比特位越多，耐用性就会降低。QLC NAND与TLC NAND相比，读写比特位需要更长的时间，并且QLC比TLC单元的寿命短。PLC的情况更差。

SSD的超额配置（Over-provisioning ）是通过预留空间(extra cells) 来替换故障的单元，会增加成本。如果没有成本优势，把有20％超额配置的QLC SSD替换成有相同可用容量，还要有50％超额配置以确保耐用性的PLC SSD，有什么意义？

层数增加导致收益减少

我们知道，通过增加层数来提高每个裸片的容量会导致收益减少。从64层到96层能增加50％的容量。从96层过渡到128层容量增加33％。到160层意味着容量增加25％。升级到192层将使容量增长20％。最终，额外的处理时间和良率问题将抵消收益。

此时，要通过制造更多的晶圆来增加容量。使用率达到50％的机器用两倍的时间可以制造出同样的裸片数量，之后还需要更多的设备乃至建立一个新的晶圆厂，投资将达150亿美元。

容量 VS 成本

由于各种NAND裸片存在生产问题，SSD容量的增长速度趋于放缓。我们可以从图表中按层数显示行业发货量随时间发生的变化：

我们看到，与64/72层 NAND相比，将96层NAND提升到70％的行业发货量需要更长的时间（按发布后的季度计算）。100层以上NAND的第一次迭代看起来可能还需要更长的时间。

NAND和SSD行业在技术上是丰富的。总体上讲，没有进入容量增加的瓶颈，但增加容量的成本和困难在增加，路也越走越窄。

标准SSD会增加NAND裸片的可用物理空间。驱动器和主机控制器误差校验技术，通过避免随机写入来降低写入周期以及超额配置将有助于QLC以及PLC NAND的应用。更好的工艺技术和材料将有助于缩小单元尺寸，前景乐观。

晶圆和磁盘

层数问题不会影响到硬盘制造商，制造商们用半导体技术在磁盘的圆形晶圆上构建比特位存储装备，磁区，而且比NAND晶圆物理尺寸小。磁盘是一维结构。硬盘制造商想解决的问题是在保持存储的比特值稳定且可读的同时缩小其物理尺寸。

对于当前使用的磁性材料，比特面积收缩减少了比特位中的电子数量。随着尺寸的减小，区域磁场的稳定性在室温下趋于不可测。

因此，磁盘供应商正在转向热辅助记录，在室温下通过更稳定的记录材料来实现比特位稳定性和可读性，更强地抵抗磁极性变化。使比特面积易于通过热辅助或微波（MAMR）辅助磁记录发生变化，当然还会带来一些自身的问题，不过没有层数问题。