半導體專題之NAND Flash芯片知識詳解

只讀存儲器（ROM）是只能讀取實現存儲的信息的存儲器。斷電后所存數據不會丟失，根據可編程、可抹除功能，ROM可分為PROM、EPROM、OTPROM、EEPROM和Flash等。Flash是當前主流的存儲器，具備電子可擦除可編程的性能，能夠快速讀取數據而且斷電時不會丟失數據，往往與DRAM搭配使用。Flash可進一步細分為NAND Flash和NOR Flash。NAND Flash是只讀存儲器中的主流。

一、NAND的演變：從2D NAND向3D NAND

（一）NAND分類：NAND Flash、NOR Flash

NAND Flash：寫入和擦除的速度快，存儲密度高，容量大，但不能直接運行NAND Flash上的代碼，適用于高容量數據的存儲。

NOR Flash：優勢是芯片內執行——無需系統RAM就可直接運行NOR Flash里面的代碼，容量較小，一般為1Mb-2Gb。

（二）發展趨勢：高密度存儲、3D堆疊

1、3D NAND發展僅十余年，主流廠商快速擴張中

3D NAND于2014年開始商業化量產，主流廠商基本實現產品轉換。2007年，東芝最早推出BiCS類型的3D NAND。2013年三星推出第一代V-NAND類型的3D NAND。2014 年，SanDisk 和東芝宣布推出3D NAND生產設備，三星率先發售32層MLC 3D V-NAND，至此3D NAND市場開始快速擴張。

3D NAND存儲單元向TLC、QLC等高密度存儲演進。NAND Flash根據存儲單元密度可分為SLC、MLC、TLC、QLC等，對應 1 個存儲單元分別可存放1、2、3 和 4bit的數據。存儲單元密度越大，壽命越短、速度越慢，但容量越大、成本越低。目前NAND Flash以TLC為主，QLC比重在逐步提高。

半導體存儲器發展已有55年，其中DRAM發展已有55年，Flash發展已有40年，由于2DNAND和3DNAND技術差別巨大，實際上3DNAND發展歷史僅僅十余年，技術成熟度遠不如DRAM。

2、3D NAND技術的優點

（1）3D堆疊大幅提升容量，相同單元密度下壽命較2D結構延長

3D NAND是一項革命性的新技術，首先重新構建了存儲單元的結構，并將存儲單元堆疊起來。3D NAND帶來的變化有：（1）總體容量大幅提升；（2）單位面積容量提高。對于特定容量的芯片，3D NAND所需制程比2D NAND要低得多（更大線寬），因而可以有效抑制干擾，保存更多的電量，穩定性增強，例如同為TLC的3D NAND壽命較2D NAND延長。

（2）工藝制程演進相對緩慢，3D堆疊層數增長迅速

從2014年到2020年，各家廠商3DNAND堆疊層數從32層增長至128層，大致3年層數翻一倍，而工藝制程在2DNAND時期就達到19nm，轉換成3DNAND工藝制程倒退至20-40nm，而后又逐步往更高制程演進，制程演進相對邏輯芯片較慢。從制程上看，主流廠商的3D NAND芯片使用20-19nm的制程，從技術上看，20nm左右的制程最適合3D NAND，制程節點小了之后，每個存儲單元能容納的電子數量就會變少，發展到一定階段之后，閃存就很容易因為電子流失而丟失其中保存的數據。

2022年，美光技術與產品執行副總裁ScottDeBoer與高管團隊宣布美光下一代232層NAND閃存將于2022年底前實現量產。2023年三星電子宣布計劃在明年生產第9代V-NAND閃存，這款閃存將采用雙層堆棧架構，并超過300層。今年8月，SK海力士表示將進一步完善321層NAND閃存，并計劃于2025年上半期開始量產。

堆疊層數仍有較大提升空間。按照SK海力士的預測，3DNAND在發展到層數超過600層的階段時才會遇到瓶頸，目前市場上主流產品低于200層，未來技術升級空間較大。

主流廠商基本實現從2D NAND到3D NAND的產品轉換，三星電子領先1-2年。從2014年3D NAND量產開始，到2018年主要NAND廠商基本完成從2D到3D的產品轉換。2018年NAND Flash廠商三星電子、東芝/西部數據、美光、英特爾等原廠的3D NAND生產比重己超過80%，美光甚至達到90%。目前，各家廠家已實現128層（鎧俠和西部數據是112層）的量產，176層正成為主流，2XX層以上的研發和量產正在推進，其中三星研發進度最為領先，比其他廠商領先1-2年。

二、NAND Flash下游及推動力

NAND Flash 下游市場中，計算、無線通訊、消費和工業分別占 54.8%、34.1%、6.1%、2.6%。

根據招商證券測算，AI 服務器相較普通/高性能服務器對 NAND 容量大約有 2-4 倍的拉動。

由于機械硬盤持續進行成本優化，普通服務器依然會配備較多的機械硬盤，而高性能服務器和AI服務器對于存儲速度、準確性等提出更高要求，因此主要配備固態硬盤。

從容量上看，傳統服務器NP5570M5最多支持16塊2.5英寸SAS硬盤或4塊3.5英寸SATA硬盤，SAS硬盤支持300GB/600GB/1TB/1.2TB/1.8TB/2.4TB容量，SATA硬盤支持1/2/4/6/8TB容量，按照中間容量測算，系統硬盤容量大約共8-16TB；高性能NF5280M6型號最大支持20塊3.5英寸硬盤，系統硬盤容量大約20TB；AI服務器采用的硬盤容量大約30TB，相較傳統服務器NAND容量提升大約2-4倍。

進一步推算：

1）基礎型服務器：根據IDC，基礎型服務器中CPU、內存和硬盤的占比最高，根據英特爾，典型的x86服務器—E5高配服務器的成本中硬盤、CPU和內存成本占比分別為31%、28%和21%。例如浪潮NF5270M5售價大約39000元，采用2顆XeonSilver4214CPU，每顆售價大約1000美金，CPU成本占比大約32%；配置16個32GBDDR4，按單GB成本3美金計算，DRAM成本占比大約26%；最大支持25塊2.5英寸硬盤，按照每塊硬盤512GB、1TBSATA40美元計算，硬盤總價值量占比大約20%；

2）AI服務器：以英偉達DGXA100系統為例，售價大約19.5萬美金，含有2顆AMDRome7742，每顆售價大約7000美金，價值量占比大約7%；含有8顆A100GPU，每顆GPU售價大約1-1.5萬美元，GPU價值量占比大約40-50%；CPU采用2TB的DDR4，價值量占比大約3-4%；GPU配置共640GBHBM2E，假設單GB價值量15-20美金，價值量占比大約5-8%；操作系統配備2塊1.9TBSSD，內部配備8塊3.84TBSSD，按照1塊1.92TB數據中心SSD650美元、1塊3.84TB數據中心SSD1200美元測算，硬盤價值占比大約6%。

三、相關標的

1、存儲芯片：兆易創新、北京君正、東芯股份

2、存儲經銷：香農芯創、雅創電子

3、AI服務器及HBM配套：國芯科技、瀾起科技、創益通

附：AI 服務器存儲及先進封裝產業鏈上市標的

資料來源：中信建投電子、招商證券電子

審核編輯：劉清