NAND Flash層數之爭：誰先觸抵天花板？

得益於5G、大資料、雲端運算、物聯網、人工智慧等新興產業的快速發展，儲存器需求呈現倍數增長，發展空間廣闊。其中，NAND Flash作為半導體儲存器第二大細分市場，自然也備受關注。

回溯NAND Flash的歷史

經歷了半個世紀發展的半導體儲存技術，如今已逐漸成熟，其衍生出的儲存技術中包括Flash技術。

Flash技術分為NAND Flash和NOR Flash二種。雖然NOR Flash傳輸效率很高，但寫入和擦除速度很慢，容量也較小，一般為1Mb-2Gb，常用於保存程式碼和關鍵資料，而NAND Flash能提供極高的單元密度，可達到高儲存密度，適用於大量資料的儲存。NAND Flash具有寫入、擦除速度快、儲存密度高、容量大的特點，也因此迅速成為了Flash主流技術。

NAND Flash技術自問世以來，已經積累了近40年的發展底蘊，並已成為儲存器第二大細分市場。按儲存單元密度來分，NAND Flash可分為SLC、MLC、TLC、QLC等，對應1個儲存單元分別可存放1、2、3、4bit的資料。目前NAND Flash主要以TLC為主，不過QLC比重正在逐步提高。

值得一提的是，被提出很多年但一直沒有商用落地的PLC終於露出水面。

今年8月初，SK海力士旗下NAND快閃記憶體解決方案提供商Solidigm在快閃記憶體峰會上展示了全球首款正在研發的PLC（五層單元）SSD。與QLC（四層單元）SSD相比，PLC SSD可在每個儲存單元記憶體儲5bit的資料。

NAND快閃記憶體從SLC、MLC、TLC、QLC及PLC一路走來，容量逐步上升，可市場更關心的是性能、可靠性、壽命、成本等問題是否也可以跟著最佳化。據Solidigm介紹，在相同的空間內，使用PLC SSD儲存資料量可增加25%，可以用來解決固態儲存未來的成本、空間和能耗等問題。該款SSD將首先用於資料中心產品，具體發佈和上市時間待定。

從快閃記憶體結構來看，為滿足各時期的市場需求，NAND Flash技術已從2D NAND升級到3D NAND，再到4D NAND。

時光追溯到1987年，時任日本東芝公司工程師岡本成之提出的一項發明徹底改寫了人類資訊時代的面貌，即2D NAND。當時東芝（2019年更名為鎧俠）雖佔據NAND Flash市場先機，但東芝戰略重心偏向DRAM市場，忽略了NAND Flash的發展潛力。之後，英特爾和三星迅速加入市場，推出了2D NAND產品。

隨後，全球廠商都圍繞著2D NAND進行研發，隨著2D NAND的線寬已接近物理極限，3D NAND應運而生。

2007年，東芝推出BiCS類型的3D NAND。2D NAND的含義其實是二維平面堆疊，而3D NAND，顧名思義就是立體堆疊。3D NAND的到來，讓NAND Flash技術直接從二維昇華到三維的密度。

按英特爾的說法，2D NAND就像在一塊有限的平面上建平房，這些平房整齊排列，隨著需求量不斷增加，平房的數量也不斷增多，可面積有限，只能容納一定數量的平房。相較於2D NAND，3D NAND則可以在同一塊平面上建樓房，樓層越高，容量也就越大，在同樣的平面中樓房的容積率遠遠高於平房，提供了更大的儲存空間。可見，隨著市場對儲存性能需求的提升，2D NAND過渡到3D NAND是大勢所趨的。

3D NAND自2007年進入大眾視野後，2014年正式商用量產。

2013年，三星推出第一代V-NAND（三星自稱3D NAND為V-NAND）快閃記憶體。據三星介紹，V-NAND技術採用不同於傳統NAND快閃記憶體的排列方式，通過改進型的Charge Trap Flash技術，在一個3D的空間內垂直互連各個層面的儲存單元，使得在同樣的平面內獲得更多的儲存空間。雖然該款堆疊層數僅為24層，但在當時卻打破了平面技術的瓶頸，並使3D NAND Flash從技術概念推向了商業市場。

2014年，SanDisk和東芝宣佈推出3D NAND生產設備；同一年，三星率先發售了32層MLC 3D V-NAND，這也意味著3D NAND正式商用化。繼三星之後，美光也實現了3D NAND商用化。憑藉其在容量、速度、能效及可靠性的優勢，3D NAND逐漸成為行業發展主流。

3D之後，4D NAND悄然來臨。SK海力士在2018年研發的96層NAND Flash已超越了傳統的3D方式，並匯入4D方式，該款也成為了全球首款4D NAND Flash。

據了解，4D NAND技術是由APlus Flash Technology公司提出，其技術原理是NAND+類DRAM的混合型儲存器，採用了「一時多工」的平行架構，而3D NAND只能執行「一時一工」。若一到十工同時在4D快閃記憶體系統執行時，其速度會比3D NAND快一到十倍。雖然相比3D方式，4D架構具有單元面積更小，生產效率更高的優點。不過，目前市面上還是以3D NAND為主。

從平房到摩天大樓，各大原廠的謀略

隨著應用領域和使用場景愈發多樣化，市場對NAND Flash的要求也隨之提升，譬如想要更高的讀寫速度、最大化的儲存容量、更低的功耗和成本等。可採用二維平面堆疊方式的2D NAND已經不再能滿足市場的需求，這一切也促使NAND廠商必須謀定而後動，之後便沉下心來埋頭研發，NAND Flash結構也從平房蛻變到摩天大樓。

採用三維平面堆疊方式3D NAND雖大大增加了儲存空間，但如何突破3D NAND層數瓶頸，堆疊更高的摩天大樓，一直是市場的焦點，也是NAND廠商研發的痛點。在此之下，一場有關NAND Flash的層數之爭已持續數年，NAND廠商早已吹響衝鋒集結號，這一路也取得了不少的成就。

自2012年24層BiCS1 FLASHTM 3D NAND Flash之後，鎧俠還研發出了48層、64層、96層、112層/128層。2021年，鎧俠聯手西部資料突破162層BiCS6 FLASHTM 3D NAND Flash。今年5月，西部資料與鎧俠未來的路線圖指出，預計2024年BiCS+的層數超過200層，如果一切按計劃進行，2032年應該會看到500層NAND快閃記憶體。

最早在3D NAND領域開拓疆土的是韓國廠商三星。2013年8月，三星推出V-NAND（3D NAND）快閃記憶體，這也是全球首個3D單元結構「V-NAND」。之後，三星還陸續推出了32層、48層、64層、96層、128層、176層的V-NAND。2021年末，三星曾透露正在層數200+的V-NAND產品，目前暫未披露相關資訊。

作為韓國第二大儲存廠商的SK海力士也不甘落後，在2014年研發出3D NAND產品，並在2015年研發出36層3D NAND，之後按照48層、72層/76層、96層、128層、176層的順序陸續推出快閃記憶體新產品。2022年8月3日，SK海力士再將層數突破到238層的新高度，該層數是當前全球首款業界最高層數NAND快閃記憶體，產品將於2023年上半年投入量產。

2016年，美光發佈3D NAND，雖然發出時間晚於三星等上述幾家廠商，但後期美光的研發實力不容小覷。在2020年美光搶先推出當時業界首款176層3D NAND，後又於2022年7月率先推出全球首款232層NAND，該產品現已在美光新加坡工廠量產。美光表示，未來還將發力2YY、3XX與4XX等更高層數。

目前從原廠動態來看，SK海力士和美光率先進入200+層時代，其中NAND快閃記憶體業界最高層數為SK海力士的238層，其次是美光的232層。主流技術NAND Flash 3D堆疊層數已跨越176層、232層、邁進238層，未來原廠還將發力200+層、300層、400層、甚至500層以上NAND技術。

在2021年IEEE國際可靠性物理研討會上，SK海力士預測，3D NAND未來將達到600層以上。另有一些行業專家認為，3D NAND可以堆疊到1000層。可見，隔NAND Flash技術的天花板還有很高的距離。

Source：全球半導體觀察根據公開資訊整理

NAND Flash未來既柳暗，又花明？

此前在5G手機、伺服器、PC等下游需求驅動下，NAND Flash市場以可見的速度在增長。可今年，受疫情反覆、通貨膨脹、俄烏衝突等因素影響，全球形勢變化多端。同時，儲存器市場供需與價格波動時刻受產業發展動態影響，而作為儲存器市場的主要構成產品之一，NAND Flash也不例外。

供需失衡

從消費端看，PC、筆電、智慧手機等消費電子市場需求疲軟，也影響到中上游產業鏈。其中，智慧手機需求萎縮明顯，出貨量也隨之減少。據TrendForce集邦諮詢表示，受到傳統淡季的加乘效應，使得2022年第一季智慧手機生產表現更顯疲弱，全球產量僅達3.1億支，季減12.8%。

業內人士普遍認為，持續下降的最大原因是消費者使用智慧手機的時間比以前更長。再加上智慧手機技術更新快，新型號手機的性能與之前型號並無特別大的差距，從某種程度上看，這也降低了消費者的購買慾。

從供應端來看，TrendForce集邦諮詢7月表示，由於需求未見好轉，NAND Flash產出及製程轉進持續，下半年市場供過於求加劇，包含筆電、電視與智慧手機等消費性電子下半年旺季不旺已成市場共識，物料庫存水位持續攀升成為供應鏈風險。因渠道庫存去化緩慢，客戶拉貨態度保守，造成庫存問題漫溢至上游供應端，賣方承受的拋貨壓力與日俱增。

TrendForce集邦諮詢預估，由於供需失衡急速惡化，第三季NAND Flash價格跌幅將擴大至8~13%，且跌勢恐將延續至第四季。

原廠持堅定信念

受手機與個人電腦等消費電子市場需求疲軟等因素影響，美光於6月悲觀預測，今年第四財季營收為72億美元，上下4億美元浮動，這一資料低於業界預期；又於8月再度下調第四季度業績指引，該季度經調整營收將位於或低於此前預計的68-76億美元區間下沿。

此前美光執行長Sanjay Mehrotra在財報電話會議上表示，預計智慧手機銷量將較去年下降約5%，而個人電腦銷量可能比去年下降10%，美光正在調整產量增長，以適應需求的減弱。不過，TrendForce集邦諮詢8月在最新的研究指出，受到高通脹衝擊，全球對於消費市場普遍抱持並不樂觀的態度，基於週期性的換機需求以及新興地區的新增需求帶領下，智慧手機生產量仍會小幅上升。

SK海力士此前也預測，由於搭載儲存器的電腦和智慧手機的出貨量將低於原來的預測，並且伺服器用儲存器的需求也因客戶的庫存優先出貨，預計下半年的儲存器出貨量將有所放緩。不過中長期來看，資料中心的儲存器需求將持續成長。

三星、SK海力士、美光、西部資料、鎧俠等儲存器原廠在最新財報中均表示雖然部分市場需求疲軟，但都堅定看好產業未來前景，各原廠保持堅定的信心也為儲存器市場掃去部分陰霾。