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盘点:NAND闪存三十五年的“江湖春秋”

存储器的抹除流程使人想起相机的闪光灯,于是闪存被命名为“Flash”。

1975年,全球第一台数码相机诞生,它的制造者叫做——柯达。作为胶片龙头,柯达将这一跨时代的产品锁死在保险柜长达20多年,待柯达觉醒之时,已是他即将倒地之时。历史有时候总是如此相似,行业领先者为了自己的统治地位,一头埋进已有技术的辉煌里,对新技术视而不见,试图将新技术扼杀在摇篮之中,而技术创新永远无法阻挡。rDmesmc

在几十年的历史长河中,NAND闪存经历了一次又一次的技术变革,NAND闪存巨头也在其中创下了一次又一次的伟绩。rDmesmc

一、开端

1984年1月24日,苹果公司发布世界上第一台采用图形用户界面的个人电脑——Macintosh。同一年,大洋彼岸的日本,东芝公司(2017年4月东芝存储器集团从东芝公司剥离,并于2019年10月正式更名为KIOXIA,中文名为铠侠)跨时代地提出了“闪存”概念,个人电脑与闪存,一个新的时代已经到来。rDmesmc

三年后,东芝根据闪存的概念发明出了全球第一块NAND闪存芯片,为之后的电脑、智能手机、数据中心等许多新应用奠定了技术基础。rDmesmc

如同柯达这个巨人一样,这项发明给东芝递上了前往NAND闪存宝座的“高铁票”,不过东芝却选择坐上NAND闪存的“绿皮火车”,因为他的主要业务是DRAM。rDmesmc

20世纪70年代后,得益于日本大力推动,日本半导体产业正在飞速发展。1976年,日本通产省集合多所顶尖研究所,并联合日立、三菱、富士通、东芝、NEC五大企业,发起的“VLSI(超大规模集成电路)计划”,投资720亿日元,以期实现微电子技术革命性突破。rDmesmc

在不断地攻坚克难之下,80年代,日本逐渐占据DRAM市场领导地位,迈入技术爆发期。rDmesmc

在有利的外部条件下,东芝投入340亿日元,组织1500人的研发团队,决定全力押注DRAM,这一决定也将东芝推上了DRAM市场的高塔之上。1985年,东芝率先研发出1MB容量的DRAM,成为当时世界上容量最大的DRAM存储芯片。相比已经开跑多年的DRAM,刚面世的NAND闪存在东芝眼里瞬间黯然失色。rDmesmc

时间进入90年代中后期,在政治与经济双重危机的裹挟之下,日本DRAM产业屡遭冲击,深陷前景不明的窘境,本土DRAM企业也受到了影响。即便强如富士通也难以守住自身阵营,于1999年宣布退出DRAM业务。rDmesmc

在互联网泡沫与美国的围追堵截之下,2001财年,东芝亏损2540亿日元。此时的东芝面临DRAM该往何处去的抉择,持续经营会扩大亏损,放弃则会摆脱亏损包袱,获得现金流。无奈之下,只能彻底剔除DRAM,将DRAM业务卖给了美光,之后,便决意重拾此前不被自己重视的NAND闪存业务。rDmesmc

时任英特尔董事长及CEO安迪·格鲁夫曾坦言:“如果不率先聚焦投产高附加值的芯片,并且拥有果断的投资勇气和早日收回投资的速度与战略眼光,半导体就不会成为盈利业务”。这一句话可能是对东芝放弃DRAM市场的最好注脚。rDmesmc

虽然此前不重视NAND闪存,但东芝也并未完全将其束之高阁,还是保留了少部分研发人员持续跟进。作为这个行业先驱,东芝拥有领先的技术优势,更重要的是,当时这个市场中的玩家,只有美国的英特尔和韩国的三星两家。rDmesmc

1991年东芝发布了全球首个4MB NAND闪存,一年之后,英特尔发布了12MB NAND闪存,又两年后,三星推出了第一款NAND闪存芯片。时间进入千禧年前后,三星又于1999年开发出首款1GB NAND闪存。东芝全力投入之后,也迅速跟进,2001年便与闪迪联合推出了1GB MLC NAND闪存,此时的闪存市场,竞争开始加剧,英特尔、三星、东芝互不相让地追逐NAND闪存的制高点。rDmesmc

2007年,2D NAND已经走到头,这一次东芝又引领了潮头,独辟蹊径发布基于BiCS技术的3D NAND。NAND闪存进入3D时代,同一年,乔布斯在旧金山的马士孔尼会展中心,从口袋中掏出了那款影响世界的iPhone。rDmesmc

二、豪赌

2001年8月,东芝宣布退出DRAM市场的前夕,东京一家名为Zakuro的餐厅内汇聚了众多三星高层人员。此次非正式会议的议题只有一个——三星是应该与东芝合作共同开发NAND闪存,还是应该独立开发。rDmesmc

会议上,李健熙慷慨激昂地对员工说道:“只喜欢吃眼前全是油的食品而变肥的猫,是抓不到老鼠的”。最终,三星还是狠下心决定走自己的路。rDmesmc

无论是押注面板、DRAM还是智能手机,三星总能准确地掌握住产业发展的脉搏,并孤注一掷地进行豪赌,也正是这份胆魄,让三星在今后的道路走得越来越远。rDmesmc

在NAND闪存上,三星自1984年就开始。在“闪存”概念提出的同年,三星就成功开发出了16kb的带电可擦可编程只读存储器(EEPROM),该产品被认为是闪存的前身。1989年三星成功开发自己的Mask ROM技术,这一举措给三星带来了4亿美元的营业收入。但由于MROM的需求仅限于特定的市场,不久三星便撞了南墙。rDmesmc

三星距离入门NAND闪存还差临门一脚,这一脚是英特尔送的。在东芝开发出NAND Flash之后,英特尔也不甘示弱推出了NOR Flash并很快在产量上超越了东芝。rDmesmc

为了缩小产能差距,1992年年底,东芝将NAND flash设计授权给三星,两年后,三星发布了16Mb NAND闪存,这是三星NAND闪存的起点。随后三星又在1998年推出了28Mb NAND闪存,1999年开发出1Gb NAND闪存。再到2002年,三星成为了全世界首个量产1Gb NAND闪存的公司,自此三星超越东芝,正式坐上闪存市场头把交椅。rDmesmc

进入新世纪的三星,一路披荆斩棘,将NAND闪存的容量从1G升到2GB、4Gb、8Gb、16Gb、32Gb、64Gb,在精细加工方面,三星成功开发出90nm、70nm、50nm、40nm、30nm。rDmesmc

三、同盟

1985年,在日本半导体的不断攻城略地之下,时任英特尔董事长及CEO安迪·格鲁夫作出退出存储市场的重大决定,将其业务重心从存储芯片全面转移到CPU计算芯片。这家第一个将DRAM商业化的存储器公司与自己的起家业务正式说再见。多年以后,英特尔在微处理器领域所向披靡,并登上处理器市场王座,从一个存储器制造商成长为芯片霸主。安迪·格鲁夫再回首当初转型决定,想必也会露出欣喜的微笑。rDmesmc

虽然退出DRAM市场,但在闪存领域,英特尔并未放弃。为了在这个新领域对阵东芝,英特尔在1988年推出了第一款NOR Flash,该产品成功取代了EPROM产品,被用在存储计算机软件,但随着ipod等消费类产品对存储要求的提升,NAND闪存的市场在急速增长。于是1992年,英特尔第一款NAND闪存产品姗姗来迟,容量为12MB。rDmesmc

在各家追逐市占率和产量的同时,新的技术也在不断出现,最初NAND闪存技术以SLC架构为主,该架构的优点在于读写速度快且稳定性高。1997年,英特尔又开发出了MLC架构,被用在了NOR Flash之上,该架构的优点在于其同等存储单元可存放的资料是SLC的两倍,但缺点在于读写次数有限稳定性稍差。后来,东芝将该架构用在了NAND闪存上,2001年便与闪迪联合推出了1GB MLC NAND闪存。rDmesmc

在这一场没有终点的技术竞赛中,单打独斗不是主旋律,东芝与闪迪合作,英特尔则选择了美光。rDmesmc

再次回到1984年,一个神奇的年份,这一年美光成功开发出世界上最小的256K DRAM,并成功登录纳斯达克。此时,迎接美光的并不是一个崭新的黎明,而是一场生存危机。原因在于NEC、东芝、三菱等DRAM企业正居领先地位,从技术和成本上对美光、英特尔等DRAM企业都形成碾压般的优势。上市一年后,美光便将炮火对准了当时手握“领导权”的一些海外DRAM企业。rDmesmc

1985年间,美光向国际贸易委员会提起东芝等企业倾销诉讼,直指对方企图以低于成本的价格使竞争对手们逐个破产,名单中包括东芝、富士通、日立和其它三家企业。rDmesmc

在这场DRAM争霸赛中,美光最终发展良好,并成为DRAM产业上的火种,不过在NAND闪存领域,美光比其余几家存储器企业出发都晚。rDmesmc

2005年,英特尔与美光成立合资公司IM Flash,其中美光持股51%,英特尔持股49%。新公司成立之后,美光以2.7亿美元的价格将现有的NAND闪存技术和芯片设计方案卖给英特尔,并购买了使用、修改这些设计的永久性许可。美光与英特尔的珠联璧合一方面是抵御三星与东芝的冲击,另一方面则是押注未来,全力进军3D NAND。rDmesmc

四、新起点

1984年是2D NAND的起点,2007则是3D NAND的起点。rDmesmc

这一年是智能手机的元年,智能手机时代即将到来,NAND闪存也将迎来黄金期,同时各家企业在新技术上的竞赛也更加激烈。rDmesmc

根据TrendForce集邦咨询的数据显示,2017年全球智能手机的生产量达到了14.58亿台的顶峰。智能手机维持了长达10年的高速成长。同时智能手机对NAND闪存的需求也在不断提升,初代iPhone的起始配置只有4G,如今,最新的iPhone 14起始配置已经增长到128G。且随着短视频等应用的不断发展,未来对于NAND闪存的需求会继续增长。rDmesmc

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2007年东芝率先提出3D NAND结构,但三星并没有借鉴东芝的结构,反而另辟蹊径走出了属于自己的3D NAND独特道路。2013年,三星突破半导体精细加工技术的限制,推出并量产第1代24层128Gb V-NAND闪存,一举惊艳全球。该款采用了全球首个3D单元结构“V-NAND”技术。rDmesmc

2011年,东芝与闪迪的300nm级闪存工厂Fab5在日本正式投产,一年后,东芝将层数推高到了24层,又过了一年的2013年,三星才达到这一层数,由于起步较晚,美光与英特尔的首款3D NAND在2015年才问世。此后数年,英特尔与美光、东芝(铠侠)、SK海力士以及三星在追逐更高密度,更高层数的道路上一刻也不停歇。rDmesmc

2014年,三星研发出32层,第二年SK海力士就研发出36层,同年东芝又研发出48层、三星也推出48层。2017年,三星将层数提高到64层,同年,SK海力士已提高到72层。2019年,美光、SK海力士、东芝同时推出128层,2020年,三星、美光、SK海力士又同时攻克176层。直至2022年,唯有美光、SK海力士突破了200+层,双方层数分别达到232层、238层,其中,238层为目前业界最高层……rDmesmc

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△全球半导体观察根据公开信息整理rDmesmc

五、退赛

竞争激烈的3D时代让厂商之间的差距逐渐显现,并且一些参赛者逐渐退出赛道,也有新的参赛者以意想不到的速度迅速跟进,成为这个市场不可忽视的一股力量,动摇了维持数十年的市场格局。rDmesmc

英特尔与美光在2D时代发展较为顺利,合资公司成立之后,其生产工艺从72nm、50nm、34nm、25nm,一路升级到20nm NAND闪存,成为第一家推出20nm 128Gb核心的闪存厂。但进入3D时代之后,IM Flash的速度与三星、东芝相比,就显得比较慢。3D NAND时代早已来临,但英特尔和美光仍在研发2D NAND,直到2015年,双方联合推出384GB 3D NAND闪存,据说该款是有史以来密度最高的3D NAND闪存,同年还推出了3D XPoint技术。rDmesmc

此后,英特尔与美光这一对战友路线出现了分歧。英特尔着手向企业级市场发售3D NAND产品,并基于3D XPoint技术打造出傲腾(Optane)产品线,产品凭借高速率、高耐用性、超低延迟等特性在企业级市场过得风生水起。而美光则转向消费级市场发售SSD。美光放弃了浮栅极(Floating Gate)技术,选择与三星等公司一致,转向电荷捕获(Charge trap)技术,英特尔却不为所动,技术上的分歧或是双方最终分道扬镳的原因之一。rDmesmc

2019年,英特尔与美光正式结束了在NAND Flash技术方面长达14年的合作关系。最终美光收购了IM Flash,英特尔则独自建立了NAND Flash和3D XPoint存储器研发团队,但没多久,英特尔就彻底放下了NAND Flash,如同其当年放下DRAM一样。这一决定算是宣告英特尔对NAND闪存的告别,同时也切断了傲腾(Optane)这一常年处于亏损状态的业务的供货来源,这似乎也为傲腾最后的结局埋下了悲伤的伏笔。rDmesmc

英特尔告别赛场之后,将一部分财产留给了昔日战友美光,另外的场地留给了后起之秀SK海力士。2021年12月底,SK海力士以90亿美元的价格接手了英特尔NAND闪存业务及SSD业务,后在美国成立NAND闪存解决方案提供商Solidigm。rDmesmc

在今年9月英特尔透露Optane业务将走入历史。但相关人士强调,英特尔Optane系列画上句号并没有对外公布。现阶段策略就是随时间过去,产品销售完毕,再宣告结束。Optane业务是英特尔在存储领域的最后一项业务,它的结束也将为英特尔的存储之路彻底地画上句号。rDmesmc

在存储路上,英特尔这些年可谓是使尽浑身解数,但它却走得跌宕起伏。当后来者再翻阅存储器历史,依然能够在字里行间看到英特尔曾经在存储器领域的不朽功绩,但未必会为英特尔的退出而感到惋惜,毕竟它如今在另一个赛道上依然制霸全球。rDmesmc

与英特尔、东芝以及三星这些前辈们相比,SK海力士起步较晚,但其发展迅速,如今SK海力士已经突破了目前业界层数的最高层238层。rDmesmc

SK海力士入局后的第一款产品是在2010年研发的20nm 64Gb NAND闪存芯片,彼时SK海力士的名字中还没有SK两个字母。两年后,韩国第三大财阀SK集团入主海力士,并成立了“闪存设计解决方案中心”。在SK集团雄厚的财力加持下,SK海力士2014年进军3D NAND闪存领域,2019年就率先研发出全球首款基于CTF的96层4D NAND闪存。相比3D方式,4D架构具有单元面积更小,生产效率更高的优点。rDmesmc

六、并购

以千禧年画一个分界线,东芝与三星是产业缔造者,SK海力士与美光是千禧年后杀出的两匹黑马,回顾这两匹黑马的成长之路,并购是一个无法忽视的因素。rDmesmc

产业发展初期,朝气蓬勃,各家企业都能找到属于自己的生态位,产业一旦进入成熟期,并购加剧,马太效应之下生态位要么扩张,要么被蚕食。2010年之后,各大企业都在积极并购小企业,一方面巩固自身优势,另一方面弥补短板。其中美光与SK海力士是最为活跃的两家企业。rDmesmc

美光在2010完成对闪存制造商Numonyx的并购,2012年收购PCle虚拟化解决方案供应商Virtensys,2015年收购SSD控制器初创公司Tidal,2019年正式收购IM Flash。SK海力士则在2012年收购意大利NAND闪存开发商Ideaflash,并在2021年拿下英特尔的NAND闪存业务。rDmesmc

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△全球半导体观察根据公开信息整理rDmesmc

七、结语

小小一枚NAND闪存芯片,最初只是东芝工程师脑海中的一个念头,后来在物竞天择的丛林中一步步发展,成为智能手机、PC等电子产品的核心部件。NAND闪存结构从最初的2D到如今的3D、4D,层数不断提高,24层、36层、48层、96层、128层、176层、200+层,到最近三星规划的1000层,半导体从业者对技术的追求没有止境。rDmesmc

期间,有前浪退出、也有后浪涌进。东芝雄霸市场、三星一跃龙门、美光与SK海力士强势突围、以及退出赛场的元老英特尔,都为NAND Flash市场演绎了一场横跨时空的精彩剧情,并创写了属于自己的江湖春秋。rDmesmc

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如今的NAND闪存市场战火依然焦灼。从营收上看,据TrendForce集邦咨询研究显示,在2022年第二季NAND Flash营收排名中,三星(Samsung)常居冠首、SK集团(SK hynix+Solidigm)列第二、铠侠(Kioxia)第三、美光(Micron)则列第五。rDmesmc

波诡云谲的市场永远暗流涌动,步入2022年的下半年,NAND闪存市场再度面临下行压力,在一个迷雾环绕的环境中,巨头们又将如何拨云见日,制霸未来?rDmesmc

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