NAND Flash 行业动态与趋势：国产突围，迫在眉睫

存储器是半导体产业的重要分支。

全球半导体协会 SIA 数据显示，存储芯片产业 2019 年全球销售额约 1200 亿美元，约占全球半导体市场营收 4121 亿美元的 30%。

中国市场方面，根据魏少军教授公布的数据显示，2019 年半导体存储器国内市场规模为 415.8 亿美元，占据近 35%的全球销售额。然而，在庞大的市场规模下，依赖进口仍然是国内存储芯片产业多来年的发展现状。以 2019 年为例，我国存储芯片进口额为 947 亿美元，占集成电路进口额 3041 亿美元的 31%。市场份额被三星、铠侠（东芝）、西部数据、美光和 SK 海力士等巨头几乎瓜分殆尽。

行业动态

国产突围，迫在眉睫。

在现状与困境之下，背负着打破国内存储产业发展困局使命的国内三大存储企业（武汉长江存储、合肥长鑫、福建晋华）相继发力。其中，NAND Flash 作为存储芯片的重要产品之一，是长江存储要重点攻克的领域所在。2019 年全球 NAND Flash 市场规模为 460 亿美元，同比减少 27%。

2018-2019 年，由于市场低迷及产能过剩，存储芯片价格持续走低，在经历了近两年的价格下行周期后，2019 年底稍有回暖迹象。IC Insights 发布的《McClean 报告 2020》预测，2020 年成长最快 IC 产品中，NAND Flash 排在第一，预计增幅达 19%。

图源：IC Insights

长江存储：十年寒窗无人问，一举成名天下知

三大存储在追赶业界领先水平的征程上或悲壮或顺利的前行，挫折占了大半。纵然星光不问赶路人，可时光终也不负有心人，长江存储迎来了新的里程碑。

4 月 13 日，长江存储宣布 128 层 QLC 3D NAND 闪存（X2-6070）研发成功，且已在群联和联芸两家控制器厂的 SSD 上通过验证。

据长江存储介绍，X2-6070 是业内首款 128 层 QLC 规格的 3D NAND 闪存，也是我国首款 128 层 3D NAND 闪存芯片，拥有业内已知型号产品中最高单位面积存储密度（QLC，4 bit/cell），最高 I/O 传输速度（1.6G/s）和最高单颗 NAND 闪存芯片容量（1.33Tb），是上一代 64 层单颗芯片容量的 5.33 倍。X2-6070 将率先应用于消费级 SSD，并逐步进入企业级服务器、数据中心等领域，以满足未来 5G、AI 时代多元化数据存储需求。此次同时发布的还有 128 层 512Gb TLC 规格闪存芯片（X2-9060），以满足不同应用场景的需求。

长江存储预计，128 层产品今年底到明年上半年量产，维持明年单月 10 万片产能目标不变。当下，长江存储产能为 2 万片 / 月， 12 寸晶圆厂的 64 层芯片产能还是属于爬升期，处于 64 层 eMMC、UFS、SSD 产品最后的研发阶段。公司表示将尽早达成 64 层三维闪存产品月产能 10 万片，并按期（二期）建成 30 万片 / 月产能，提升国家存储器基地的规模效应。

此外，得益于 Xtacking 架构对 3D NAND 控制电路和存储单元的优化，长江存储上一代 64 层 TLC 产品在存储密度、I/O 性能及可靠性上广受好评。在长江存储 128 层系列产品中，Xtacking 已全面升级至 2.0，进一步释放 3D NAND 闪存潜能。

长江存储填补了我国在 3D NAND 闪存芯片领域的空白，它是目前中国唯一能够在该领域实现量产的厂商。尽管起步晚于国际大厂，但长江存储发展迅速，技术水平已跻身全球第一梯队。128 层的 3D NAND 是当今国际闪存市场的主流技术，众多韩国闪存大厂也刚量产不久。

下面，笔者就本次新品的两个亮点 QLC 和 Xtacking 架构，进行一些简要介绍。

QLC

NAND 闪存通常可以分为 SLC、MLC、TLC 和 QLC 四类，QLC 是继 TLC（3 bit/cell）后 3D NAND 的第四代存储方式，也是当前最新一代的闪存技术。

从原理上看，QLC 的每个单元可储存 4 个数据，那就意味着与前三种闪存相比，QLC 闪存可以在同等的 die 面积上，存储更多的数据。拥有成本更低、容量更大、高密更高等特点，适合于读取密集型应用。

闪存和 SSD 领域知名市场研究公司 Forward Insights 创始人兼首席分析师 Gregory Wong 认为：“QLC 降低了 NAND 闪存单位字节（Byte）的成本，更适合作为大容量存储介质。与传统 HDD 相比，QLC SSD 更具性能优势。在企业级领域， QLC SSD 将为服务器和数据中心带来更低的读延迟，使其更适用于 AI 计算，机器学习，实时分析和大数据中的读取密集型应用。在消费类领域，QLC 将率先在大容量 U 盘，闪存卡和 SSD 中普及。因此，QLC SSD 未来市场增量将非常可观。”

Xtacking

2018 年 7 月，长江存储首次发布了突破性能的 3D NAND 构架 Xtacking™。

根据长江存储的介绍，采用 Xtacking™可实现在两片独立的晶圆上分别加工外围电路和存储单元。这样的逻辑电路加工工艺，可以让 NAND 获取所期望的高 I/O 接口速度和功能。当两片晶圆各自完工后，创新的 Xtacking™技术只需一个处理步骤就可通过数百万根金属 VIA（垂直互联通道）将二者键合接通电路。

传统 3D NAND 架构中，外围电路约占芯片面积的 20~30%，降低了芯片的存储密度。随着 3D NAND 技术堆叠到 128 层甚至更高，外围电路可能会占到芯片整体面积的 50%以上。Xtacking™技术将外围电路置于存储单元之上，从而实现比传统 3D NAND 更高的存储密度。

同时，Xtacking™技术充分利用存储单元和外围电路的独立加工优势，实现了并行、模块化的产品设计及制造，产品开发时间可缩短三个月，生产周期可缩短 20%，从而大幅缩短 3D NAND 产品的上市时间。

此外，这种模块化的方式也为引入 NAND 外围电路的创新功能以实现 NAND 闪存的定制化提供了可能。

知乎作者“猛练自然强”将其优势总结为：

外围电路置于存储单元之上，不占实际芯片面积，提高存储密度；

存储单元，外围电路分别在两片 wafer 上加工，缩短生产工序和周期；

外围电路单独加工，与存储单元可以互相独立设计、生产、消除二者之间的设计、工艺牵制，在实现更高性能的同时，降低设计和工艺方面的难度。

在长江存储首次发布的 128 层 QLC 3D NAND 上，使用的全新升级的 Xtacking2.0 架构，X2-6070 在 1.2V Vccq 电压下实现了 1.6Gbps/ s 的数据传输速率，I/O 读写性能更强。

凭借 1.6Gb/s 高速读写性能和 1.33Tb 高容量，长江存储通过 X2-6070 再次向业界证明了 Xtacking 架构的前瞻性和成熟度，为今后 3D NAND 行业发展探索出一条切实可行的路径。

三星动态

NAND FLASH 行业的各家公司都在用尽浑身解数，来争夺这块数百亿美金的市场。行业老大三星也不敢怠慢，长江存储动态余温未尽之际，三星便传出新声。

据韩国媒体《ETnews》报道，三星目前正在开发具有 160 层堆栈的第 7 代 V-NAND 闪存，相关方面技术取得重大进展。三星的第 7 代 V-NAND 闪存将采用“双堆栈（double-stack）”技术来达到更多堆栈层，以此来扩大容量和使用范围。三星目前尚未公布 160 层的 3D 闪存的详细技术信息。

2019 年，三星以 166.7 亿美元的营收，成为全球 3D NAND Flash 闪存市场龙头，市占率达到 35.9%。考虑到三星占据了 NAND 闪存行业超过 1/3 的市场份额，160 层堆栈闪存若由三星成功首发，其将继续保持闪存技术上的优势，拉开与对手的差距。

行业发展史

厮杀数十年的存储器江湖，有人起来，有人倒下。

从最开始美国的独霸天下，到八十年代后日本存储行业腾飞，再到韩国公司依靠政府支持与时代机遇的崛起，扑灭其它人。

2008 年金融危机，存储价格雪崩。三星开始“反周期”战略，疯狂扩产下，德国奇梦达宣布破产，2011 年日本尔必达低价卖身美光 。..

存储行业重新洗牌，有人坚持，有人离去。熬过低潮期的存储大厂们，在 2015-2018 年新一轮的上行周期间赚的盆满钵满，甚至在 2017 年，三星营收水平超过半导体霸主英特尔，终结了半导体霸主英特尔连续 27 年行业第一的记录。

在如今 NAND 地盘上，三星、SK 海力士、美光、恺侠（原东芝存储）、西部数据、英特尔群雄割据。根据 DRAMe Xchange 数据，2019 年全球 NAND Flash 市场前五大厂商三星、铠侠、西部数据、SK 海力士和美光的市场份额合计占比达到 89.90％。数十年来，存储行业的厮杀像是一场轮回，十年河东，十年河西。

现在轮到中国杀了进来，在当前的国际局势下，长江存储和合肥长鑫们，担负起了振兴国产存储芯片的重任。预计 2021 年长江存储产能将占到 NAND Flash 整体市场的 8%

存储巨头进展

从 2019 年开始，业界几大主要玩家都陆续跨进了 100+层时代。

三星公司在 2019 年 6 月推出了第六代 V-NAND 100+层（128 层和 136 层各有说法）TLC 3D NAND，8 月宣布基于该技术已批量生产 250GB SATA SSD，同年 11 月实现了第六代 512Gb TLC 3D NAND 的量产。

SK 海力士于 2019 年 6 月公开发布 128 层 4D TLC NAND，11 月向主要客户交付基于 128 层 1Tb TLC 4D NAND 的工程样品，包括 1TB UFS 3.1、2TB 客户端 cSSD、16TB 企业级 eSSD。2020 下半年都将大规模量产出货。近日，SK 海力士宣布推出基于首款 128 层 1Tb TLC 4D NAND 闪存的企业级 SSD-- PE8111，是针对读取密集型应用设计的高容量存储解决方案。这也是全球首款在商用方案中应用 128 层堆叠 1Tb TLC 4D NAND 闪存颗粒。

铠侠在 2020 年 1 月宣布和西部数据携手研发出 3D BiCS FLASH 第 5 代产品，采用 112 层 3D NAND 技术。BiCS5 架构主要基于 TLC 和 QLC 技术，计划推出 112 层 1Tb（128GB）TLC 以及 1.33Tb QLC 产品，将在 2020 年下半年大规模生产。

美光早在 2019 年 10 月第一批第四代 3D NAND 芯片流片出样。在 2020 财年 Q2 财报上进一步透露，已在第一季度开始批量生产第四代 128 层 3D NAND，将在第三季度开始出货。预计 2021 年 3D NAND 将全面进入 100+层时代。

英特尔在过去十年中一直致力于该技术的研发。2018 年，英特尔 64 层 1024 Gb/ 裸片的 QLC 3D NAND 问世。2019 年，英特尔升级到 96 层，进一步提升了整体存储密度。2020 年，基于数据中心业务需求，英特尔将在大连厂推出 144 层 QLC 3D NAND。

长江存储 128 层 NAND 产品的量产时间预计将在今年年底到 2021 年上半年之间，随着产能和良率的逐步提升，预计 2021 年将实现 10 万片 / 月的产能。在量产时间上，长江存储已没有明显落后。

依照目前的情况，128 层 3D NAND 已经开始大量进入企业存储市场。如果不能把握住技术升级带来的机会，就可能在新一轮市场竞争中掉队。

NAND Flash 行业动态与趋势

存储芯片价格存在周期性变化特点，NAND Flash 作为存储器的一种，价格自 2018 年初至 2019 年间处于降价周期。有数据统计，2019 年 NAND Flash 的价格平均跌幅达 46%，销售重挫 27%，导致主要供应商陷入亏损。

经过接近两年的降价，目前 NAND Flash 价格虽然仍相对处于低位，但从 2019 年末已逐渐开始有回暖趋势。此外，在疫情影响下，云端服务需求加速上升以及远程办公、远程教育，对笔记本电脑需求的急速上升，备货需求逐渐涌现，连带提升 NAND 存储需求。

据 Gartner 研究数据显示，在多因素持续发酵的影响下，2020 年存储市场规模预计将达到 1247 亿美元，呈增长态势。内存方面，由于从 2019 年开始持续短缺，以及晶圆厂的业务延迟和技术转型，NAND 闪存价格将不断提升，预计 NAND 闪存收入将在 2020 年增长 40%。

随着 NAND Flash 价格周期波动，主要的行业厂商针对需求变化调整产能。在上一轮降价周期中，各厂商纷纷暂缓了扩产计划。如今随着下行周期的结束，各厂家又重启投资计划。

头部厂商产线分布情况（与非网制图）

据不完全统计，2020 年 NAND Flash 扩产计划中：

三星电子对其西安芯片工厂二期增加 80 亿美元的投资，将用于投产 128 层或更高堆叠层数的 3D NAND 芯片，三星此次的扩产计划，预计在 NAND Flash 闪存增加每月 6.5 万片芯片产能，全部集中在中国西安厂。预计于 2021 年下半年竣工，建成后将二期产能将达到每月 13 万片；

铠侠和西数在岩首县北上市投资 70 亿日元，计划 2020 年上半年开始生产 3D NAND；铠侠计划于 2020 年底在四日市工厂内建设 Fab7 工厂，用于投资最新的 3D NAND，计划 2022 年投产。

可见，NAND Flash 市场经过在下行周期时的调整，库存正在逐渐恢复，自 2019 下半年开始，数据中心、服务器等领域为了驱动 5G 网路的发展，再加上手机品牌厂 5G 旗舰机上市需求热络，导致 NAND 市场资源供应紧张，导致原厂加紧了 2020 年 NAND Flash 扩产的步伐。

但随着后续疫情的结束，以及以智能手机为主的终端厂商出货量的减少，又将会对需求端造成一定影响。同时由于行业头部厂商竞争仍较为激烈，技术与产能并无明显优劣，在各大厂商迅速扩产的背景下，NAND Flash 价格的景气周期可能较早结束，因此也要做好价格将重新进入下行轨道的准备。

结语

对于国内存储产业来讲，面临一场下行周期未必是一件坏事。在产业周期轮转中，资本支出转为保守，国外存储大厂产能扩充规划较为谨慎，这也给了国内存储厂商拉近差距的机会。

随着长江存储 128 层 QLC 3D NAND 的发布，外界对于中国大陆企业在存储技术上的质疑之声正在逐渐减少。

国内存储芯片厂商要想迎头赶上，埋头苦研技术是不二法门。正如半导体专家莫大康曾说，存储芯片具有高度标准化的特性，且品种单一，较难实现产品的差异化，因此各厂商需要在工艺技术和生产规模上比拼竞争力。

然而，技术之外，如何利用好产业周期波动带来的机遇，也是国产存储厂商弯道超车的捷径所在。

十年河东，十年河西的存储产业，国产 NAND Flash 迎来了救赎的曙光。