3D NAND未來(lái)五年需求大好 但紫光在技術(shù)上仍存在瓶頸

全球 3D NAND 價(jià)格近來(lái)快速崩跌，紫光集團(tuán)旗下的長(zhǎng)江存儲(chǔ)肩負(fù)打破國(guó)內(nèi)“零”存儲(chǔ)自制率之重任，以”光速”的氣勢(shì)加入這場(chǎng)存儲(chǔ)世紀(jì)大戰(zhàn)。除了武漢 12 寸廠進(jìn)入生產(chǎn)，南京廠也將于年內(nèi)動(dòng)工，加上成都廠，紫光將先后啟動(dòng)三大基地生產(chǎn) 3D NAND 芯片，即使合計(jì)投資金額高達(dá) 1，800 億人民幣，花十年目標(biāo)換來(lái)比肩巨人三星、東芝的機(jī)會(huì)，紫光此舉看來(lái)大膽但卻值得！

大陸占全球總存儲(chǔ)的消耗量 50 ％，但芯片自制率幾乎是零，全數(shù)仰賴美國(guó)、日本、韓國(guó)進(jìn)口，紫光集團(tuán)旗下的長(zhǎng)江存儲(chǔ)投入 3D NAND 研發(fā)近四年時(shí)間，今年 32 層芯片進(jìn)入生產(chǎn)，紫光集團(tuán)董事長(zhǎng)趙偉國(guó)在南京舉行的“中國(guó)芯片發(fā)展高峰論壇 China IC Summit ”中驕傲指出，中國(guó)已有第一支采用自己自主研發(fā)芯片所生產(chǎn)的U盤。

紫光位于武漢的 12 寸晶圓廠今年投入32 層 3D NAND 芯片生產(chǎn)，目前以月產(chǎn)能2000 片小量生產(chǎn)，該生產(chǎn)基地規(guī)劃三座大型 12 寸晶圓廠，合計(jì)單月產(chǎn)能上看 30 萬(wàn)片。

不僅如此，紫光位于南京的半導(dǎo)體項(xiàng)目也將投入 3D NAND 芯片生產(chǎn)，目前南京基地已進(jìn)入整地階段，最快將于年底前動(dòng)工，同時(shí)，成都的半導(dǎo)體項(xiàng)目也計(jì)劃投入 3D NAND 芯片，合計(jì)紫光在武漢、南京、成都三大生產(chǎn)基地將投入 1，800 億人民幣生產(chǎn) 3D NAND 芯片，以沖刺經(jīng)濟(jì)規(guī)模的戰(zhàn)略，換取比肩國(guó)際大廠的契機(jī)。

看好 3D NAND 未來(lái)五年需求大好，技術(shù)瓶頸存在，紫光要用力趕上

由于全球存儲(chǔ)芯片價(jià)格崩跌之勢(shì)已現(xiàn)，對(duì)于紫光在此時(shí)大動(dòng)作進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，也讓外界不禁擔(dān)心，紫光若啟動(dòng)三大生產(chǎn)基地生產(chǎn) 3D NAND 芯片，會(huì)不會(huì)演變成長(zhǎng)期產(chǎn)業(yè)供過(guò)于求的危機(jī)？

甫從華為離職加入紫光集團(tuán)擔(dān)任執(zhí)行副總裁的楚慶獨(dú)家對(duì) DT 君分析 3D NAND后續(xù)走勢(shì)看法 ，楚慶認(rèn)為，無(wú)論是從供給面或是技術(shù)面來(lái)看，未來(lái) NANDFlash 產(chǎn)業(yè)前景都非常樂(lè)觀，今年旗艦級(jí)智能手機(jī)的存儲(chǔ)容量是 256GB ，明年會(huì)成長(zhǎng)到 512GB ，消耗的存儲(chǔ)芯片越來(lái)越可觀，但3D NAND技術(shù)會(huì)遇到不小瓶頸。

他表示，去年華為因?yàn)?NAND Flash 芯片缺貨造成銷售額短少 40 億美元，內(nèi)部更因此成立戰(zhàn)略領(lǐng)導(dǎo)小組來(lái)分析因應(yīng)供給短缺的情況。

楚慶分析，雖然 3D NAND 技術(shù)不斷往上迭，從 32 層迭到 64 層，但到了 96 層技術(shù)，就不會(huì)是一年密度增長(zhǎng)一倍的速度了，等堆迭到了 128 層，之后的發(fā)展可能是堆迭到 144 層左右，技術(shù)挑戰(zhàn)越來(lái)越艱難，供給不會(huì)一直順利產(chǎn)出，因此，紫光對(duì)于未來(lái)五年的存儲(chǔ)市場(chǎng)抱持樂(lè)觀態(tài)度。

對(duì)于眼前 3D NAND 產(chǎn)能過(guò)剩，楚慶反而認(rèn)為這是短暫現(xiàn)象，因?yàn)楝F(xiàn)有的幾家半導(dǎo)體大廠包括三星、東芝都是同步發(fā)展 96 層技術(shù)，伴隨技術(shù)突破，一定會(huì)有不少產(chǎn)能增加，形成供過(guò)于求，但這些新產(chǎn)能很快就會(huì)被新增的需求吃掉。

再者，楚慶也認(rèn)為未來(lái) 3D NAND 技術(shù)從 96 層堆迭到 128 層技術(shù)后，每一個(gè)世代的技術(shù)進(jìn)展會(huì)從原本的 12 個(gè)月，拉長(zhǎng)至 18 個(gè)月才能達(dá)到，而紫光在存儲(chǔ)領(lǐng)域也會(huì)有全新的戰(zhàn)略來(lái)因應(yīng)，外界可以拭目以待。

長(zhǎng)江存儲(chǔ) Xtacking 驚艷背后的辛酸，楊士寧：選擇這條路要很大勇氣

今年國(guó)際存儲(chǔ)大廠三星、東芝、美光、西部數(shù)據(jù)、SK海力士已進(jìn)入 64 層 3D NAND 技術(shù)的生產(chǎn)，并且完成 96 層 3D NAND 技術(shù)研發(fā)，寄希望于 2019 年投產(chǎn)，三星更要搶在今年第四季率先小幅量產(chǎn) 96 層芯片，除此之外，眾家大廠未來(lái)更要再往上朝 128 層 3D NAND 技術(shù)開(kāi)發(fā)。

長(zhǎng)江存儲(chǔ)身為后發(fā)者，為了要快速趕上國(guó)際大廠的腳步，計(jì)劃在 64 層技術(shù)之后，會(huì)跳過(guò) 96 層技術(shù)，直攻 128 層 3D NAND 芯片，就技術(shù)規(guī)劃來(lái)看，業(yè)界傳出紫光將會(huì)以兩顆 64 層芯片直接做堆迭的方式開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。

再者，長(zhǎng)江存儲(chǔ)近期提出的 Xtacking 新架構(gòu)引發(fā)全球存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)一陣騷動(dòng)。長(zhǎng)江存儲(chǔ)首席執(zhí)行官楊士寧在 Flash Memory Summit 期間透露， Xtacking 架構(gòu)有很多好處，但挑戰(zhàn)也不少，決定選擇走上這一條道路需要勇氣，因?yàn)橐屵@個(gè)技術(shù)發(fā)揮作用并不容易，他和紫光集團(tuán)全球執(zhí)行副總裁高啟全來(lái)回討論多次才下此決定。

Xtacking 架構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)是來(lái)自于武漢新芯開(kāi)發(fā)多年的 CMOS 成像器的打線封裝技術(shù)（ Wafer Bonding ），長(zhǎng)江存儲(chǔ)為了將該技術(shù)用于 3D NAND 開(kāi)發(fā)，將其“幾微米的間距”縮小到僅約 100 nm。

當(dāng)中，最為困難的一部分是存儲(chǔ)和邏輯元件的對(duì)淮技術(shù)，使用位于晶圓上方和下方的攝影機(jī)，透過(guò)等離子體活化被擠壓在一起的晶片表面，再以低溫退火做處理。然后，于 I/O 晶圓的背面進(jìn)行加工，以便在晶片背面形成焊墊。

Xtacking 架構(gòu)將邏輯和存儲(chǔ)元件上下相迭且分開(kāi)加工，有效解除 I/O 傳輸瓶頸

而對(duì)于Xtacking技術(shù)細(xì)節(jié)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)聯(lián)席首席技術(shù)官湯強(qiáng)出席“中國(guó)芯片發(fā)展高峰論壇 China IC Summit ”時(shí)有非常詳盡的解說(shuō)。

湯強(qiáng)表示， NAND Flash 是串連式的存儲(chǔ)，傳統(tǒng)的 2D NAND 技術(shù)是二維平面結(jié)構(gòu)，隨著尺寸微縮越來(lái)越小，面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越多，這其中包括成本過(guò)高，以及越來(lái)越多的干擾信號(hào)等等問(wèn)題，因此，大家開(kāi)始想解決方案，把串連式的存儲(chǔ)從平面豎起來(lái)，發(fā)展成立體三維結(jié)構(gòu)的 3D NAND，可大幅提高存儲(chǔ)密度，同時(shí)也避開(kāi)光刻上成本的增加，也解決干擾技術(shù)。

不過(guò)， 3D NAND 技術(shù)也同樣面臨挑戰(zhàn)，主要面臨來(lái)自三大方面，包括 I/O 傳輸速度、存儲(chǔ)密度、產(chǎn)品上市周期，而這三大方面正是存儲(chǔ)技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力之所在。

湯強(qiáng)解釋，在進(jìn)行半導(dǎo)體加工時(shí)，會(huì)先做外圍負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)、傳輸功能的邏輯電路元件，之后加工存儲(chǔ)陣列元件，但加工存儲(chǔ)陣列元件時(shí)所采用的高溫高壓工藝，會(huì)影響之前已經(jīng)加工完成的邏輯元件，在邏輯電路上的工藝最多只能做到 0.18 微米制程，速度上無(wú)法提升，導(dǎo)致 I/O 的線性傳輸會(huì)卡住。

長(zhǎng)江存儲(chǔ)Xtacking的解決方式，是把外圍邏輯電路和存儲(chǔ)陣列電路兩個(gè)模塊分開(kāi)加工，之后兩個(gè)模塊從水平擺放，變成上下堆迭擺放在一起，如此一來(lái)可解除 I/O 傳輸瓶頸，有效提升速度，因?yàn)樵诩庸ね鈬壿嬰娐返臅r(shí)候，就不會(huì)被陣列電路加工時(shí)的高溫高壓所影響。

因此，邏輯電路可以采用更為先進(jìn)的工藝，從 0.18 微米制程的加工技術(shù)，放寬到 90 納米、 55 納米、 28 納米，甚至是采用高端的 16 納米、 10 納米制程生產(chǎn)，完全貼緊邏輯電路往前進(jìn)的步伐。

再者，現(xiàn)在的 I/O 傳輸速度瓶頸是0.8 Gb/秒，將來(lái)采用先進(jìn)工藝后，可以放寬至 3 Gb/秒，這和 DRAM 的傳輸速度可以有效縮短。

為了解決體積問(wèn)題，并且增加芯片密度，兩塊加工完畢的模組從水平擺放變成堆迭擺放，把外圍電路放在陣列電路之下，這使得 Xtacking 的面積利用率從傳統(tǒng)的 65 %提升至 90 %。

其實(shí)也有其他國(guó)外大廠采用類似技術(shù)，將外圍邏輯電路直接擺放在存儲(chǔ)陣列電路的下面為 PUA，然 Xtacking 技術(shù)不一樣之處在于，是分成個(gè)模塊同時(shí)做，可縮短研發(fā)周期，工藝不會(huì)受到干擾，然后再將模塊拼再一起，未來(lái)甚至可以把外圍邏輯電路交給外面做代工，靈活度提升。

長(zhǎng)江存儲(chǔ)將從第二代 3D NAND 采用 Xtacking 架構(gòu)，讓優(yōu)勢(shì)盡情發(fā)揮

然而， Xtacking 技術(shù)也同樣面臨三大難題，第一是硅片的平整度，隨著存儲(chǔ)堆迭變高，平整度地挑戰(zhàn)是很大的。第二是對(duì)孔的對(duì)淮精度，要把整片硅片所有的孔都對(duì)淮，并且接通，這相當(dāng)不容易。第三是接口材料的選擇，長(zhǎng)江存儲(chǔ)甚至和合作供應(yīng)商合作研發(fā)一款新的 CMP 研磨機(jī)臺(tái)。

在經(jīng)過(guò)多時(shí)努力，現(xiàn)在 Xtacking 技術(shù)良率提升非常快，結(jié)構(gòu)的可靠性也很好，在編程擦寫 3，000 次之后，可靠度仍是維持一樣。且針對(duì)可靠度測(cè)試上，包括溫度循環(huán)測(cè)試（Thermal Cycle ）、高溫存儲(chǔ)測(cè)試（ High Temp. Storage ）、電子遷移測(cè)試（ Electro-migration ），都通過(guò)考驗(yàn)。

長(zhǎng)江存儲(chǔ)將從第二代（ 64 層技術(shù)）的3D NAND 采用 Xtacking 架構(gòu)，未來(lái)各代技術(shù)也都會(huì)導(dǎo)入。未來(lái) 3D NAND 層數(shù)堆迭越來(lái)越高時(shí)，伴隨而來(lái)的是外圍電路的占比會(huì)變很大，這時(shí)，Xtacking 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)便可以越來(lái)越有得發(fā)揮。

長(zhǎng)江存儲(chǔ)的 Xtacking 技術(shù)概念最令人驚艷的是傳輸速度可以達(dá)到 3Gbps ，比肩DRAM的傳輸水準(zhǔn)，加上明年量產(chǎn) 64 層 3D NAND 后，要一舉直攻 128 層技術(shù)，剛好國(guó)際大廠在 128 層技術(shù)后會(huì)放緩腳步，因此有充裕時(shí)間可以追趕。

若 Xtacking 技術(shù)成功量產(chǎn)，會(huì)是國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的重大里程碑，更為芯片自主開(kāi)發(fā)的道路注入強(qiáng)心針，且紫光將以武漢、南京、成都三個(gè)生產(chǎn)基地投入 3D NAND 芯片生產(chǎn)，下一步要玩經(jīng)濟(jì)規(guī)模之戰(zhàn)，以期快速追上國(guó)際大廠，快速打破國(guó)內(nèi)“零”自制存儲(chǔ)芯片的現(xiàn)況，并且躋身國(guó)際大廠之林。