[原创] 美光存储的新进展
2021-02-02
14:00:22
来源: 半导体行业观察
在本月初，美光公布了截止到12月3日的2021财年第一季度财报。财报显示，公司在本季度的收入达到57.7亿美元，同比增长12％。在净收入方面则同比增长63.5％到8.03亿美元。据美光总裁兼首席执行官Sanjay Mehrotra在财报会上所说：“内存和存储行业的营收增长速度超过了整个半导体行业，从2000年初的约10％增长到现在的近30％。”
美光执行副总裁兼首席商务官Sumit Sadana 先生在日前的一场媒体会上也告诉半导体行业观察记者，展望下一个十年，我们可以看到半导体产业的增长将会比全球的GDP增长更快。尤其是在包括DRAM和NAND Flash在内的存储产业，这个成长需求将会更高。这主要得益于类似云、边缘智能、5G基础设施、工业物联网和智联汽车在内的新趋势带来的推动。
2021年的全球存储市场预测
“这将给美光创造很多新的机会”，Sumit Sadana补充说。
众所周知，美光是一个以存储技术闻名的企业，尤其是DRAM产品，更是美光得以傲视存储市场的重要倚仗。根据公司最新一季的财报，DRAM贡献了70％左右的营收（约40.56亿美元），当中不但包括了大家广为熟悉的DDR和LPDDR产品，并推出了类似LPDDR5这些 新产品外。美光还有HBM2E和GDDR等技术，其中最近针对AI和GPU对高带宽需求而推出的GDDR6X更是创下了记录。
2020年9月，美光与图形计算技术领导者 NVIDIA 合作，首次在全新的 NVIDIA GeForce RTX 3090 和 GeForce RTX 3080 图形处理器（GPU）中搭载了GDDR6X。据美光介绍，自 2006 年起，公司的工程师和研究人员已开始探索在内存接口应用多级信号技术。在申请了 45 项专利后，美光率先在内存中应用 PAM4，为下一代图形内存树立了新标杆。
美光表示，通过采用 PAM4 多级信号技术，他们的GDDR6X实现了更快的数据传输，输入/输出 (I/O) 数据速率提升了一倍。从他们的介绍我们得知，此前，显存带宽最高可达 64 GB/s，传统二进制标准依赖两级信号传输编码为 1s 或 0s 的数据，每周期可传输一位数据。而美光新型的 PAM4 技术采用四个不同层级，同时向内存输入及输出两位数据。由此，美光的 GDDR6X 将单颗粒的内存带宽显著提升至 84 GB/s，从而使系统带宽提升为之前无法想象的1 TB/s。
此外，GDDR6X实现了更低的单任务能耗 (pJ/bit)，通过更快的速度和更低的功耗，满足游戏和其他高带宽图形应用等高能耗工作负载。GDDR6X 还具有调整功耗高低的功能用户可调低性能节省能耗。
NAND Flash则是美光第二大营收来源，财报显示，来自这个业务部门的营收在公司总营收中占比27%（约15.74亿美元）。这主要得益于公司在QLC NAND方面布局。而这又是美光存储的另一个“杀手锏”。
熟悉存储产业的读者应该知道，NAND Flash有四种架构，分别是SLC，MLC，TLC和QLC，分别代表一个存储单元里里可存放1、2、3和4位元的数据。其中LC储存单元中储存的更多的元数据，消费者可以用更低的 价格获得更多的容量！但代价是降低效能和寿命，为此当前大多数闪存公司都是选用TLC。但美光表示，公司先进的QLC技术，克服了SSD成本过高的问题，保留了强大效能，无论是实时分析，机器学习或人工智能应用，QLC NAND都将成为最得力助力。
财务数据显示，在2020年第二财季，美光QLC SSD的位出货量环比增长60％，当中相当一部分消费类SSD现在采用QLC技术发货。由此可以看到美光的QLC NAND Flash技术在市场上的认可度的提升。
除了以上两种产品外，美光还有3D XPoint的布局。按照美光所说，他们是市场上唯一同时拥有DRAM、NAND Flash和3D Xpoint存储产品线的企业。所谓3D XPoint，是一项旨在填补动态DRAM和 NAND 闪存之间的存储市场空白的技术。
2019年10月 ，美光终于推出号称世界上最快的SSD--美光X100 SSD，这是3D XPoin技术在非易失性存储器领域的突破。按照他们介绍，这个产品在当时拥有高性能本地存储、业界最高的带宽、超低延迟、应用程序加速、小型存储中的高性能和易于采用等特性。虽然这个产品的销售并不尽如人意，但从多方消息看来，美光会继续在上面进行投入，将其拓宽到更多的领域。
在存储方面，美光还有Nor Flash等技术，这些高性能的产品被应用到了汽车等多个领域，而为了保护客户的安全，美光还提供了业界领先的安全技术。如由美光所提供的Authenta技术，可以让美光与生态体系的不同伙伴一起合作，是的设备在大规模部署出去的时候，都是安全的，不会受到黑客或者是网络安全、网络威胁相关事情的影响。
能在存储领域保持多年的领先地位，深厚的技术积累和因应市场需求推出高性价比的产品在其中发挥了重要的作用，例如最近，美光推出的全新NAND Flash和DRAM技术，就为他们迎来数据爆发新时代做好了准备。
首先看NAND Flash方面。正如很多文章里所说，为了提升NAND Flash的存储密度，在过去多年里，行业厂商已经从2D NAND走向了3D NAND，并在最近几年的发展中，将3D NAND Flash的层数和密度进一步提升。在2020年11月，美光宣布已批量出货全球首款 176 层 3D NAND 闪存，这又一次刷新了行业的记录。
据介绍，该款 176 层 NAND 产品采用美光第五代 3D NAND 技术和第二代替换栅极架构，是市场上最先进的 NAND 技术节点。与美光的上一代大容量 3D NAND 产品相比，176 层 NAND 将数据读取和写入延迟缩短了 35% 以上，极大地提高了应用的性能。（对比数据基于美光大容量浮动栅极 96 层 NAND。如对比 128 层替换栅极 NAND，美光 176 层 NAND产品的数据读取和写入延迟均降低 25% 以上）。因为采用紧凑型的设计，美光176 层 NAND的 裸片尺寸比市场最接近同类产品缩小近 30%，是满足小尺寸应用需求的理想解决方案。
美光技术与产品执行副总裁 Scott DeBoer 则指出：“美光的 176 层 NAND 树立了闪存行业的新标杆，与最接近的竞争对手同类产品相比，堆叠层数多出近 40%。结合美光的 CMOS 阵列下 (CMOS-under-array) 架构，该项技术帮助美光继续在成本方面保持行业领先优势。”
与此同时，同时，美光还将 NAND 单元技术从传统的浮动栅极过渡到电荷捕获，提高了未来 NAND 的可扩展性和性能。除了电荷捕获技术，美光还采用了替换栅极架构，利用其中的高导电性金属字线取代硅层，实现了出类拔萃的 3D NAND 性能。采用该技术后，让美光将大幅度降低成本，继续领跑业界。
其次再看DRAM方面，为了进一步提升其密度、功耗和性能，美光领先于业界推出了 1α DRAM制程技术。
据介绍，美光的1α节点继续使用6F2位线设计。但公司已经实施了许多创新，以采用最新的制造工艺来缩小其DRAM。从数据来看，如上图所示，对比其上一代的 1z DRAM 制程，美光1α 技术将内存密度提升了 40%，还能使内存解决方案更节能、更可靠，并为需要最佳低功耗 DRAM 产品的移动平台带来运行速度更快的 LPDDR5。据美光方面透露，1α 技术能为移动行业提供最低功耗的 DRAM 平台，实现了 15% 的节能，使 5G 用户在不牺牲续航的同时能在手机上进行更多任务操作。
美光及贸易部指出，1α 先进内存节点提供 8Gb 至 16Gb 的密度，将助力美光现有的 DDR4 和 LPDDR4 系列产品延长生命周期，并能为美光在服务器、客户端、网络和嵌入式领域的客户提供更低功耗、更可靠的产品及更全面的产品支持，从而降低客户再次验证的成本。对于具备较长产品生命周期的汽车嵌入式解决方案、工业 PC 和边缘服务器等应用场景而言，美光的1α 制程同样保证了在整个系统生命周期内更具优势的总体拥有成本。
在存储产业，现在的关注热点除了缺货、涨价和产能规划外，DRAM产业对EUV的采用也是另一个重点。针对这些问题，美光执行副总裁兼首席商务官Sumit Sadana 先生在日前的举办的媒体会上都做了一一回答。
首先在存储缺货问题上，Sumit Sadana 回应道，在疫情一开始的时候，美光发现来自汽车行业或者是智能手机行业的需求是下降的。但是到后来，他们看到这方面的需求也大幅度复苏。现在，美光看到针对半导体的设备，汽车客户、PC客户，还有客户端设备的生产客户，他们都有非常强劲的需求。这 也影响到了存储产品的的供需平衡。
“我们的确是在某些DRAM的业务方面出现了紧缺的现象，一些运营状况受到了影响。比如说在2021年自然年的第一季度，我们已经看到某一些DRAM产品的价格有所上涨。在整个2021年自然年，我们认为这个需求不断上升的趋势只会持续下去，所以供给紧俏的现象也还会持续下去，可能还会持续几年，因为整个市场就是处在供不应求的状态”，Sumit Sadana 告诉记者。
他同时表示，在NAND技术方面这部分的情况就不太相同。他指出，目前市场上的NAND供应还是充足的。不过随着价格的浮动，美光认为NAND这方面的产品也会出现价格弹性，但市场会自行调节，NAND的产能也会随之有所调整。纵观2021年，美光相信NAND的产能也会稳定下来。
在问到美光对于将EUV光刻机引入到DRAM的规划的时候，Sumit Sadana 强调，美光一直持续在评估EUV的技术，也与生产EUV基台工具的厂商在合作。但目前还是处在研发的模式之下。公司目前对EUV的态度是评估什么时候是最佳的时机——最具成本效益和经济效益的节点，到那时，美光可以将EUV技术纳入公司的产品组合里面。
但他也指出，美光一直都能够引领业界的技术，特别是在使用多重曝光浸润式光刻（multi-patterning immersion lithograph）的部分，所以我们在DRAM的部分，在不同的节点上都可以更有成本效益。
“公司在多重曝光浸润式光刻方面的技术非常成熟，所以我们认为不需要过早引进EUV的技术”，Sumit Sadana 强调。
在谈到中国存储公司崛起带来的潜在影响的时候，Sumit Sadana表示，美光对此也保持关注。他同时也指出，公司在其中要关注的还不只是竞争对手技术方面的发展，还需要去关注他们的制程技术，以及是不是能够大规模量产？量产的可靠性如何？是不是能够符合客户所期待和所要求的品质等问题。
而为了更好地应对市场对存储的需求，美光希望持续投入资本去发展公司的存储产业。当中的一部分资本支出支撑他们搭建更多的晶圆厂空间，更多的无尘室/洁净室（clean room space），因为每一代新的技术会使用到的工具、机台都越来越多，只有这样做这才能达成美光所有的晶圆都是在最好的状态下开始生产的目的。除此之外，美光一部分的资本支出会用来扩充美光内部做封测的一些设施。
随着新兴应用的蓬勃发展，一个属于存储的新时代正式崛起。全新的市场竞争格局又给当中的供应商带来了前所未有的机遇与挑战。而美光似乎已经做好了充分准备。
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