SLC NAND和3D NAND强势对决 SLC NAND“华丽转身”机遇在哪？

电子设计 2021-03-15 2847

描述

在日本福岛外海发生7.3 级强震之后，日本半导体厂商因为中断生产期间所造成的产品减少供应，其已对当前 NAND Flash市场供应吃紧造成了影响，这将使得NAND Flash的报价可能较之前进一步的提高。

NAND Flash的缺货涨价是当前半导体产业的缩影。近年来，存储芯片一直都是集成电路市场份额占比较大的类别产品，2018年存储芯片占全球集成电路市场规模的比例高达40.21%，成为全球集成电路市场销售份额占比最高的分支。

在当前全球芯片缺货涨价背景下，NAND Flash行业现状如何？随着消费端对大容量3D NAND的需求增大，SLC NAND的市场份额会被进一步挤压甚至替代吗？国内厂商如何在国际大厂策略调整下助力SLC NAND完成“华丽转身”？

底层设计差异

1989年，东芝推出了NAND Flash架构，从此开启了存储领域的新篇章。

作为非易失性存储芯片，NAND Flash具有存储容量大、写入/擦除速度快等特点，非常适合存储信息，一经问世，就广泛地应用于通讯设备、消费电子、汽车电子等领域。NAND Flash 闪存从产品设计上可以分为以下几类，分别为平面的SLC NAND、MLC NAND、TLC NAND、QLC NAND和立体的3D NAND。

如上图所示，SLC（Single-Level Cell, SLC ）NAND和NOR FLASH的区别如下。

在NOR闪存中，每个存储器单元的一端连接到源极线，另一端直接连接到类似于NOR门的位线。在NAND闪存中，几个存储器单元（通常是8个单元）串联连接，类似于NAND门。一方面，与NOR闪存相比，NAND闪存具有更小的单元尺寸和更高的写入和擦除速度。

另一方面，与NOR闪存相比，NAND闪存的密度要高得多，主要是因为其每比特成本较低。NAND闪存通常具有1Gb至16Gb的容量。由于NAND Flash具有更高的密度，因此主要用于数据存储应用。

最初问世时的SLC NAND设计架构，每个Cell单元存储1bit信息，也就是只有0、1两种电压变化，结构简单，电压控制快速，反映出来的特点就是寿命长，性能强，擦写寿命可达10万次。MLC、TLC和QLC每个单元存储的信息依次递增，电压变化随存储信息增加呈指数级增长，但相应的P/E寿命随之减少。

不管是SLC NAND还是其他三种NAND，它们都存在“闪存的缩放限制”。而为了打破“闪存的缩放限制”枷锁，提供高容量、低成本的NAND Flash，不少企业研发解决了多种方案，其中就包括3D NAND。平面NAND是由有存储单元的水平串组成，而在3D NAND中，存储单元串被拉伸，折叠并以U形结构垂直竖立，单元以垂直方式堆叠来缩放密度。3D NAND存储单元类似一个微小的圆柱状结构，微小单元由中间的垂直通道组成，中间是结构内部的电荷层，通过施加电压，电子被带入绝缘电荷存储膜中和从中取出，信号就被读取。

以三星为例，由浮动栅结构 (Floating Gate) 迁移至电荷撷取闪存（ 2D CTF），将 2D CTF存储单元 3D 化变成3D CTF存储单元，最后通过工艺技术提升逐渐往上增加存储单元的层数，把存储单元像盖大楼一样越堆越高。

SLC NAND和3D NAND，谁强谁弱？

“SLC NAND和3D NAND不同的底层结构设计决定了产品性能上的差异。”存储行业资深人士指出，“SLC NAND在38nm工艺上可以做到10万次的擦除，3D NAND由于结构的原因，它不可能做到SLC NAND这样高可靠性的擦除。”

SLC NAND产品的底层设计决定了它比其他NAND的可靠性高、使用寿命长，是新一代汽车、工业及物联网等应用的理想选择，可为那些工作在恶劣环境、温差大，又需要长期稳定可靠运行的应用提供了理想的解决方案。

出于产量考虑，NAND闪存随附着散布的坏块，随着擦除和编程周期在NAND闪存的整个生命周期中持续，更多的存储器单元变坏。因此，坏块处理是NAND闪存的强制性功能。

可靠性的另一个方面是数据保留，这方面，SLC NAND闪存可以提供10年的典型数据保留。

据悉，串口SPI NAND为过去使用NOR Flash（SPI）需要可靠性要求高、小封装，又难以接受大容量NOR的高成本应用提供了完美的代码及数据存储的解决方案；而并口的SLC NAND产品则适用于需要更高带宽的应用。

不过，SLC NAND的“缺点”也明显——容量小。“在容量方面，显而易见，全世界做得最大的SLC NAND的容量最高能做到16Gb；而3D NAND的起步容量就可达512Gb。”业内人士向集微网指出。

3D NAND是从立体空间上解决容量的方案，采用类似于建楼的方式层层堆叠。但堆叠的层数越多，其稳定性挑战越大。目前，三星、SK海力士等大厂都在投入巨大的资金解决这个技术难题。

概而言之，两类NAND各有千秋，SLC NAND胜在产品可靠性，而3D NAND在容量方面更具优势。

新形势下，SLC NAND“华丽转身”机遇在哪？

产品性能上的差异，也直接决定了他们市场应用的不同。“SLC NAND主要针对基站、PON,路由器等通讯设备，监控安防领域，近年来低功耗的SPI NAND也开始进入了以智能手环为代表的穿戴式设备市场。而3D NAND则主打以智能手机和平板电脑的e.MMC，UFS的嵌入式产品，固态硬盘SSD以及USB Disk等大容量存储市场。”行业人士指出，“虽然SLC市场份额不大，但也因为性能差异决定了它们的市场定位，所以3D NAND和SLC NAND之间是不可能取代彼此的位置。”

SLC NAND除了在嵌入式市场的广泛采用，近期也随着4G功能手机的热销而进入了功能手机的BOM中，继续发挥着存储资料信息的作用。另外，随着全世界5G基站的建设热潮，在5G CPE的产品中也出现了SLC NAND的身影。

此外，汽车电子成为中小容量SLC NAND重要驱动力量。随着消费者对驾驶安全性、舒适性的需求不断提升，以及相关政策的推动，汽车智能化正迎来快速发展时期。

在汽车系统中，从先进驾驶辅助系统到完全自动驾驶，复杂的汽车应用将更需要高容量的闪存，这对设计者而言，成本的考虑变得相对重要许多。NAND Flash相比NOR Flash单位成本来说具有优势，能够为较大容量车规级闪存提供良好的解决方案，这也将是SLC NAND的“用武之地”。Gartner预计至2024年，全球ADAS领域的NAND Flash存储消费将达41.5亿GB，2019-2024年复合增速将达79.8%。

从全球NAND厂商来看，2019 年全球 NAND Flash 市场中，三星电子、铠侠、美光科技和海力士等厂商，均在 NAND Flash市场占据了很大的市场份额。国外厂商凭借先发优势以及在终端市场建立了优势。

不过，目前海外大厂正在全力扩建3D NAND产能，在SLC NAND的供给策略已有所变化，因此这也给SLC NAND的国内厂商腾出了发展空间。

业内人士指出，“海外供应商在NAND FLASH的领先优势主要还是集中于3D NAND，3D NAND的应用市场主要是智能手机内的存储，固态硬盘等。虽然海外供应商在SLC NAND的产品上有着先发优势，但这些优势随着SLC NAND市场的固化和国内厂商研发的投入，也正在逐步地消失。”

SLC NAND对于三星、美光这些供应商来说，其实是一个非常小的细分市场，但是对国内厂商来说，SLC NAND的全球市场足够大，并且SLC NAND也是进入MLC NAND、TLC NAND甚至3D NAND的必经之路。

按照SLC NAND占全球5%的NAND FLASH市场份额来计算的话，SLC NAND一年也有近30亿美金的TAM。台湾的存储器供应商如旺宏、华邦也在积极地扩展SLC NAND的产品和应用领域。

国内的厂商的优势还是在于本土化。“相对于海外竞争对手来说，一方面，我们更加贴近本土市场，能够快速响应客户需求，予以充分的服务支持，可以稳步占据供应链的关键位置；另一方面，中国企业与本土电子产品制造企业在企业文化、市场理念等方面相互认同，业务合作通畅、高效，形成了密切且相互依存的产业生态链。”上述业内人士表示。

据了解，国内厂商在SLC NAND的布局上，目前还都是Fabless模式，产品制程也从38nm进入24nm，最近也开始了1xnm产品的先期研发。除了在产能上需要Foundry的支持外，国内厂商也开始进入高可靠性的SLC NAND领域，包括车规市场、工业领域等。

随着5G通讯及安防监控领域的持续增长以及汽车电子等新兴领域的兴起和发展，中小容量存储市场未来具有较大增长空间。随着国内设计技术的创新和工艺节点的提升，SLC NAND市场有望在国内厂商助推下实现“华丽转身”。

编辑：hfy

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