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大容量儲存成王道 NAND競爭轉向以成本取勝

  • 韓青秀台北

記憶體產業2021年步入景氣上升的循環週期,下半年後卻驟然降溫,從第3季進入市況轉折分水嶺。雖然合約價仍維持走揚,供應鏈長短料造成市場修正效應卻在擴大,價格下跌壓力恐將從年底延續至2022年初。

另一方面,控制晶片的產能持續吃緊,以及終端應用對記憶體規格升級的需求爆發,將加速大容量儲存裝置成長的趨勢,各類終端應用將朝向TB級規格跳躍成長,上游NAND原廠的競爭戰場,將從3D NAND層數堆疊的技術競爭,轉變為高儲存密度及低單位成本的短兵相接。

主要NAND業者技術比較

相較於DRAM產業已進入寡佔市場,全球NAND產業仍處於群雄對決競局,導致產能過剩及價格波動的陰霾如影隨形。2021年受惠於遠端經濟帶來居家辦公、線上教學等普及,帶動NAND需求維持高水準,整體供需朝向平衡改善。

據統計,第2季NAND產業總營收達164億美元,季增約1成,第3季產值仍有望持續成長,直到第4季可能轉向跌勢,業界估計全球NAND位元供給將於2021年達到5,700億GB相當,年成長達37%。

雖然NAND顆粒供給不缺,然主控晶片持續供不應求已造成市場結構轉變,尤其是主控晶片多半採用成熟製程,直接受到晶圓代工產能緊缺影響,產能供給將牽動整個儲存SSD成品出貨順利與否。

在主控晶片吃緊下,舊規格及小容量產品幾乎無貨可出,例如採用55奈米製程的USB 2.0、Micro SD 2.0應用幾近淡出,USB 3.0則減少供應50~70%需求量,促使存儲產業強迫升級到下一個階段的產品及製程開發,也加速大容量儲存應用成為市場主流。

iPhone 13 Pro導入TB級規格 大容量儲存需求成趨勢

手機進入5G時代,以及高解析度影像、照片等儲存需求帶動記憶體平均搭載容量提升,據統計,2020年底主流手機平均容量已突破100G, 2021年中階手機主要儲存容量也達到8GB+256GB、12GB+256GB配置。

特別是iPhone 13 Pro及iPhone 13 Pro Max首度拉升儲存規格至1TB,而iPhone 13 mini及iPhone 13也從128GB起跳,直接淘汰最低容量的64GB,手機朝向大容量配置的趨勢,將掀起各家品牌廠相繼跟進。

儘管市場批評iPhone 13透過儲存容量增加提升性價比的行銷手法,顯露出黔驢技窮的困境,但蘋果搭載TB等級的規格標竿,勢必將左右各家NAND大廠的布局意願,甚至未來不排除將跟進iPad Pro系列,將最高儲存容量拉到2TB,進而消耗更多NAND產能。

在消費型SSD應用部分,2020年NB SSD滲透率已高達80%,512GB SSD出貨量大幅增加,成為PC OEM廠主力容量,並逐步向1TB推進。而遊戲主機從HDD改為SSD,再增應用的新出海口,主機容量在扣除系統後的空間有限,部分遊戲更需要100GB以上儲存容量,近期Sony Play Station 5開放SSD擴充支援,相容SSD容量從250GB~4TB,對重度玩家來說,TB等級容量將成為必備。

至於企業級SSD市場,資料中心升級需求強勁,NAND產品效能及可靠性也持續改善,從裝載數量而言,SSD正逐漸與傳統HDD市佔差距拉近,據ChinaFlashMarket估計,2021年全球企業級SSD平均容量將突破2.5TB。此外,車用儲存市場在品質要求之外,隨著自動駕駛的功能導入,預料將從eMMC為主逐步轉到UFS、SSD,可望將從GB級發展到TB等級。

200層以上堆疊競爭襲來 QLC延續成本競爭優勢

在終端應用朝向大容量趨勢發展,追求更低成本及更高儲存密度成為NAND上游原廠重點目標,在美光(Micron)176層堆疊3D NAND先馳得點後,三星電子(Samsung Electronics)、SK海力士(SK Hynix)2021年也先後加入量產行列。

鎧俠(Kioxia)在2021年發布162層3D NAND後,預計2022年將導入量產,而長江存儲則推進至128層NAND製程,積極提升量產良率,2022年全球NAND大廠進一步突破至200層以上將勢在必行。業界認為,3D NAND堆疊至200層以上的里程碑將可望落在2022年下半或年底,這場技術領先競賽預料將由美光與三星一決勝負。

雖然美光2020年底領先群雄展開176層NAND出貨,而三星直到2021年下半才積極衝刺,但從製程技術來看,在堆疊層數的技術瓶頸下,美光及SK海力士均改為雙層堆疊技術,僅有三星是唯一在128層製程仍採用單串堆疊技術生產的業者。隨著三星改變策略,轉向採用低層數併接的多串堆疊(string stacking)做法,可望直接挑戰256層製程,後續追趕進度可望加速超車。

值得注意的是,在3D NAND層數競賽即將進入200層關卡之際,NAND原廠的競爭策略亦面臨轉向。過去數年來,增加層數堆疊的意義不只在於技術宣示,更重要的是如何有效地達到降低成本,然當200層以上的技術挑戰越來越高,其設備投資也越來越昂貴,層數堆疊將不再是成本降低的保證。

近期鎧俠技術執行長柳茂知在CFMS2021演講,可以一窺NAND原廠的態度。柳茂知指出,部分人士可能認為堆疊層數是3D NAND容量提高的最重要參數,但是層數增加卻會帶來製造成本的直線上升,並沒有必要以厚度增加為代價,而一味增加堆疊層數。

因為晶圓廠的生產時間和儲存陣列的厚度是比例成長的,單純的增加層數並不能降低生產成本,因此鎧俠在162層第六代BiCS將改變結構,也將進一步研究PLC(5bit per cell)和Twin BiCS,作為增加平面儲存密度的重要方向。雖然目前3D NAND仍以TLC為市場主流,但未來朝向QLC甚至PLC必然成為趨勢,業界對性價比的追求將是最大驅動力。

舉例來說,目前一層樓可以住3人,製造商要蓋176層的大樓來滿足需求,以相同的總居住人數為前提,當一層可住4人時,將可望減緩競逐追求高層數的壓力。而QLC製程不僅可重複使用TLC現有設備,更能保持提高儲存位元密度提高及降低成本的優勢。

各大NAND原廠中,英特爾(Intel)的144層QLC SSD在2020年首發問世,容量較96層QLC提升了約50%,2021年上半已瞄準資料中心商機供應出貨;SK海力士在收購英特爾儲存事業後,QLC NAND布局將順勢完成。美光在176層TLC NAND量產後,QLC NAND也可望在年底問世,長江存儲也宣布128層QLC已做好量產準備。

三星在QLC NAND的態度仍較不積極,2020年推出QLC SSD涵蓋1TB~8TB等大容量選擇,但仍採用92層堆疊製程,三星的TLC NAND以成本優勢與規模經濟掌握市場話語權,但一旦QLC NAND勢力大幅侵蝕,而三星在176層NAND關卡喪失領先地位後,技術優勢恐怕將面臨強大挑戰。

由此可知,大儲存容量需求將持續向各終端應用市場普及,而NAND堆疊層數增加的路線圖可望於2022年突破200層,對各家NAND原廠將是勢在必行的發展途徑。但200層以上的堆疊需要更多時間克服,良率改善與重資金投入的難度也將倍數成長。但事實是,實質獲利的貢獻才是支撐NAND產業長久競爭的資本,而QLC NAND或將能成為延續成本優勢的利器。


責任編輯:朱原弘