全球 3D NAND 价格近来快速崩跌,紫光集团旗下的长江存储肩负打破国内“零”存储自制率之重任,以”光速”的气势加入这场存储世纪大战。除了武汉 12 寸厂进入生产,南京厂也将于年内动工,加上成都厂,紫光将先后启动三大基地生产 3D NAND 芯片,即使合计投资金额高达 1,800 亿人民币,花十年目标换来比肩巨人三星、东芝的机会,紫光此举看来大胆但却值得! 7@VR:~n}k
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大陆占全球总存储的消耗量 50 %,但芯片自制率几乎是零,全数仰赖美国、日本、韩国进口,紫光集团旗下的长江存储投入 3D NAND 研发近四年时间,今年 32 层芯片进入生产,紫光集团董事长赵伟国在南京举行的“中国芯片发展高峰论坛 China IC Summit ”中骄傲指出,中国已有第一支采用自己自主研发芯片所生产的U盘。 ]gj@r[
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(来源:中国芯片发展高峰论坛主办方) 54LCoG/
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紫光位于武汉的 12 寸晶圆厂今年投入32 层 3D NAND 芯片生产,目前以月产能2000 片小量生产,该生产基地规划三座大型 12 寸晶圆厂,合计单月产能上看 30 万片。 Z=sAR(n}~
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不仅如此,紫光位于南京的半导体项目也将投入 3D NAND 芯片生产,目前南京基地已进入整地阶段,最快将于年底前动工,同时,成都的半导体项目也计划投入 3D NAND 芯片,合计紫光在武汉、南京、成都三大生产基地将投入 1,800 亿人民币生产 3D NAND 芯片,以冲刺经济规模的战略,换取比肩国际大厂的契机。 `^N;%[c`z
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看好 3D NAND 未来五年需求大好,技术瓶颈存在,紫光要用力赶上 _H3cqD
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由于全球存储芯片价格崩跌之势已现,对于紫光在此时大动作进行扩产,也让外界不禁担心,紫光若启动三大生产基地生产 3D NAND 芯片,会不会演变成长期产业供过于求的危机? ?,),%JQ
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甫从华为离职加入紫光集团担任执行副总裁的楚庆独家对 DT 君分析 3D NAND后续走势看法 ,楚庆认为,无论是从供给面或是技术面来看,未来 NANDFlash 产业前景都非常乐观,今年旗舰级智能手机的存储容量是 256GB ,明年会成长到 512GB ,消耗的存储芯片越来越可观,但3D NAND技术会遇到不小瓶颈。 qx? lCz a"
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他表示,去年华为因为 NAND Flash 芯片缺货造成销售额短少 40 亿美元,内部更因此成立战略领导小组来分析因应供给短缺的情況。 )d1,}o
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楚庆分析,虽然 3D NAND 技术不断往上迭,从 32 层迭到 64 层,但到了 96 层技术,就不会是一年密度增长一倍的速度了,等堆迭到了 128 层,之后的发展可能是堆迭到 144 层左右,技术挑战越来越艰难,供给不会一直顺利产出,因此,紫光对于未来五年的存储市场抱持乐观态度。 p0YTZS ]h
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(来源:DeepTech) SoY&R=
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对于眼前 3D NAND 产能过剩,楚庆反而认为这是短暂现象,因为现有的几家半导体大厂包括三星、东芝都是同步发展 96 层技术,伴随技术突破,一定会有不少产能增加,形成供过于求,但这些新产能很快就会被新增的需求吃掉。 *AN#D?X_
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再者,楚庆也认为未来 3D NAND 技术从 96 层堆迭到 128 层技术后,每一个世代的技术进展会从原本的 12 个月,拉长至 18 个月才能达到,而紫光在存储领域也会有全新的战略来因应,外界可以拭目以待。 bo"I:)n;
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长江存储 Xtacking 惊艳背后的辛酸,杨士宁:选择这条路要很大勇气 T<=\5mn
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今年国际存储大厂三星、东芝、美光、西部数据、SK海力士已进入 64 层 3D NAND 技术的生产,并且完成 96 层 3D NAND 技术研发,寄希望于 2019 年投产,三星更要抢在今年第四季率先小幅量产 96 层芯片,除此之外,众家大厂未来更要再往上朝 128 层 3D NAND 技术开发。 aY+>85?g
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长江存储身为后发者,为了要快速赶上国际大厂的脚步,计划在 64 层技术之后,会跳过 96 层技术,直攻 128 层 3D NAND 芯片,就技术规划来看,业界传出紫光将会以两颗 64 层芯片直接做堆迭的方式开发生产。 xX>448=
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再者,长江存储近期提出的 Xtacking 新架构引发全球存储产业一阵骚动。长江存储首席执行官杨士宁在 Flash Memory Summit 期间透露, Xtacking 架构有很多好处,但挑战也不少,决定选择走上这一条道路需要勇气,因为要让这个技术发挥作用并不容易,他和紫光集团全球执行副总裁高启全来回讨论多次才下此决定。 gR>#LM&dG
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(来源:长江存储官网) >) ^!gz8
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Xtacking 架构技术的基础是来自于武汉新芯开发多年的 CMOS 成像器的打线封装技术( Wafer Bonding ),长江存储为了将该技术用于 3D NAND 开发,将其“几微米的间距”缩小到仅约 100 nm。 #WG(V%f]
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当中,最为困难的一部分是存储和逻辑元件的对淮技术,使用位于晶圆上方和下方的摄影机,透过等离子体活化被挤压在一起的晶片表面,再以低温退火做处理。然后,于 I/O 晶圆的背面进行加工,以便在晶片背面形成焊垫。 [)=FZF6kG
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Xtacking 架构将逻辑和存储元件上下相迭且分开加工,有效解除 I/O 传输瓶颈 ouI0"R&@
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而对于Xtacking技术细节,长江存储联席首席技术官汤强出席“中国芯片发展高峰论坛 China IC Summit ”时有非常详尽的解说。 8|/YxF<
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汤强表示,NAND Flash 是串连式的存储,传统的 2D NAND 技术是二维平面结构,随着尺寸微缩越来越小,面临的挑战越来越多,这其中包括成本过高,以及越来越多的干扰信号等等问题,因此,大家开始想解决方案,把串连式的存储从平面竖起来,发展成立体三维结构的 3D NAND,可大幅提高存储密度,同时也避开光刻上成本的增加,也解决干扰技术。 }A;Xd/,'r
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不过, 3D NAND 技术也同样面临挑战,主要面临来自三大方面,包括 I/O 传输速度、存储密度、产品上市周期,而这三大方面正是存储技术的核心竞争力之所在。 *dl@)~i
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汤强解释,在进行半导体加工时,会先做外围负责驱动、传输功能的逻辑电路元件,之后加工存储阵列元件,但加工存储阵列元件时所采用的高温高压工艺,会影响之前已经加工完成的逻辑元件,在逻辑电路上的工艺最多只能做到 0.18 微米制程,速度上无法提升,导致 I/O 的线性传输会卡住。 kgu+q\?
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长江存储Xtacking的解决方式,是把外围逻辑电路和存储阵列电路两个模块分开加工,之后两个模块从水平摆放,变成上下堆迭摆放在一起,如此一来可解除 I/O 传输瓶颈,有效提升速度,因为在加工外围逻辑电路的时候,就不会被阵列电路加工时的高温高压所影响。 3^a"$VW1
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(来源:DeepTech) z,EOyi
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因此,逻辑电路可以采用更为先进的工艺,从 0.18 微米制程的加工技术,放宽到 90 纳米、 55 纳米、 28 纳米,甚至是采用高端的 16 纳米、 10 纳米制程生产,完全贴紧逻辑电路往前进的步伐。 D.e*IP1R
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再者,现在的 I/O 传输速度瓶颈是0.8 Gb/秒,将来采用先进工艺后,可以放宽至 3 Gb/秒,这和 DRAM 的传输速度可以有效缩短。 fYi!Z/Ck2
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为了解决体积问题,并且增加芯片密度,两块加工完毕的模组从水平摆放变成堆迭摆放,把外围电路放在阵列电路之下,这使得 Xtacking 的面积利用率从传统的 65 %提升至 90 %。 {mQJ6
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其实也有其他国外大厂采用类似技术,将外围逻辑电路直接摆放在存储阵列电路的下面为 PUA,然 Xtacking 技术不一样之处在于,是分成个模块同时做,可缩短研发周期,工艺不会受到干扰,然后再将模块拼再一起,未来甚至可以把外围逻辑电路交给外面做代工,灵活度提升。 jj2UUQ|
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长江存储将从第二代 3D NAND 采用 Xtacking 架构,让优势尽情发挥
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然而, Xtacking 技术也同样面临三大难题,第一是硅片的平整度,随着存储堆迭变高,平整度地挑战是很大的。第二是对孔的对淮精度,要把整片硅片所有的孔都对淮,并且接通,这相当不容易。第三是接口材料的选择,长江存储甚至和合作供应商合作研发一款新的 CMP 研磨机台。 Ymu=G3-
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在经过多时努力,现在 Xtacking 技术良率提升非常快,结构的可靠性也很好,在编程擦写 3,000 次之后,可靠度仍是维持一样。且针对可靠度测试上,包括温度循环测试(Thermal Cycle )、高温存储测试( High Temp. Storage )、电子迁移测试( Electro-migration ),都通过考验。 vo-{3]u#=
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(来源:长江存储官网)
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长江存储将从第二代( 64 层技术)的3D NAND 采用 Xtacking 架构,未来各代技术也都会导入。未来 3D NAND 层数堆迭越来越高时,伴随而来的是外围电路的占比会变很大,这时,Xtacking 技术的优势便可以越来越有得发挥。 @El<"\
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长江存储的 Xtacking 技术概念最令人惊艳的是传输速度可以达到 3Gbps ,比肩DRAM的传输水淮,加上明年量产 64 层 3D NAND 后,要一举直攻 128 层技术,刚好国际大厂在 128 层技术后会放缓脚步,因此有充裕时间可以追赶。 |_*$+
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若 Xtacking 技术成功量产,会是国内存储产业的重大里程碑,更为芯片自主开发的道路注入强心针,且紫光将以武汉、南京、成都三个生产基地投入 3D NAND 芯片生产,下一步要玩经济规模之战,以期快速追上国际大厂,快速打破国内“零”自制存储芯片的现况,并且跻身国际大厂之林。