DRAM、3D NAND和下一代内存市场

如今内存市场正在经历一段混乱时期，而且还没有结束。

到2020年目前为止，对3D NAND和DRAM两种主要存储器的需求略好于预期。但由于经济放缓、库存问题和持续的贸易战，市场将存在一些不确定性。

此外，3D NAND市场正在向新一代技术发展，一些厂商遇到了产能问题。而3D NAND和DRAM的供应商正面临来自中国的新的竞争压力。

在2019年放缓之后，存储市场本应在今年反弹。随着COVID-19大流行爆发，突然之间，很多国家采取了各种措施来缓解疫情，例如禁止外出和关闭企业等。随之而来的是经济动荡和失业。

然而，事实证明，在家工作推动了对个人电脑、平板电脑和其他产品的需求；对数据中心服务器的需求也在不断增长。所有这些都推动了对内存和其他芯片类型的需求。

正在进行的中美贸易战继续给市场带来不确定性，但也引发了一波恐慌性的芯片买卖。基本上，美国已经对中国华为实施了各种贸易限制。因此，一段时间以来，华为一直在囤积芯片，推高了需求。

这类交易已经进入尾声，要与华为开展业务，美国公司和其他公司将需要在9月14日之后从美国政府获得新的执照。许多供应商正在切断与华为的联系，这将影响芯片需求。

总的来说，整个内存市场是复杂的，有几个未知因素。为了帮助业界了解未来，本文将研究DRAM、3D NAND和下一代内存市场。

DRAM动荡

现如今一个完整系统集成了处理器、图形以及内存和存储，通常被称为内存/存储层次结构。在该层次结构的第一层，SRAM集成到处理器以实现快速数据访问；下一层是独立的DRAM，用于主存；磁盘驱动器和基于NAND的SSD用于存储。

2019年是DRAM的艰难时期，需求低迷，价格下跌。三大DRAM制造商之间的竞争一直很激烈。根据TrendForce的数据，在DRAM市场，三星在2020年第二季度以43.5%的市场份额位居第一，紧随其后的是SK海力士(30.1%)和美光(21%)。

随着来自中国的新竞争者的加入，市场竞争预计将更加激烈。据Cowen & Co报道，中国长鑫存储(CXMT)正在推出其首条19nm DRAM生产线，其中17nm产品正在生产中。

CXMT将如何影响市场还有待观察。与此同时，2020年的DRAM市场喜忧参半。IBS预计，DRAM市场总规模将达到620亿美元，与2019年的619.9亿美元基本持平。

在家办公经济，加上数据中心服务器的繁荣，推动了2020年上半年和第三季度对DRAM的强劲需求。IBS首席执行官Handel Jones表示:“2020年第一季度至第三季度增长的主要驱动力是数据中心和个人电脑。”

如今，DRAM厂商正在推出基于1xnm节点的设备。FormFactor（一家芯片测试应用探针卡供应商）高级副总裁Amy Leong表示:“随着DRAM供应商开始增加‘1y nm’和‘1z nm’节点，我们看到第三季度DRAM需求持续增强。”

然而，现在人们担心2020年下半年经济会放缓。IBS的Jones表示，" 2020年第四季度，由于数据中心需求放缓，会出现一些疲软，但不会大幅下滑。"

与此同时，到目前为止，智能手机的内存需求表现平平，但这种情况可能很快就会改变。在移动DRAM前端，厂商正在加紧推出基于新的LPDDR5接口标准的产品。据三星称，16GB的LPDDR5设备的数据传输速率为5500Mb /s，大约比之前的移动存储标准(LPDDR4X, 4266Mb/s)快1.3倍。

Cowen分析师Karl Ackerman在一份研究报告中表示:“我们预计，随着搭载更高DRAM容量的旗舰5G智能手机产量增加，到2020年，移动DRAM和NAND需求将不断增长。”

下一代无线技术5G有望在2021年推动DRAM需求。IBS预计，DRAM市场将在2021年达到681亿美元。IBS的Jones表示“2021年，增长的主要驱动力将是智能手机和5G智能手机，此外，数据中心的增长将会相对强劲。”

NAND挑战

在经历了一段缓慢增长之后，NAND闪存供应商也希望在2020年实现反弹。"我们对NAND闪存的长期需求持乐观态度，" FormFactor的Leong说。

IBS的数据显示，NAND闪存市场的总规模预计将在2020年达到479亿美元，比2019年的439亿美元增长9%。Jones说:“2020年第一季度到第三季度的主要应用驱动是智能手机、个人电脑和数据中心。我们看到2020年第四季度需求出现了一些疲软，但并不严重。”

据IBS预计，NAND市场2021年将达到533亿美元。Jones 表示：“2021年的主要驱动力将是智能手机，我们看到每部智能手机的销量和NAND容量都在增加。”

根据TrendForce的数据，在NAND市场，三星在2020年第二季度以31.4%的市场份额位居第一，紧随其后的是Kioxia(17.2%)、Western Digital(15.5%)、SK海力士(11.7%)、美光(11.5%)和英特尔(11.5%)。

如果这还不够竞争激烈的话，中国的长江存储(YMTC)最近推出了一款64层的NAND芯片，进入了3D NAND市场。“YMTC在2021年将有相对强劲的增长，但它的市场份额非常低。”Jones说。

与此同时，供应商一直在加紧开发3D NAND闪存，它是planar NAND闪存的继承者。与二维结构的planar NAND不同，3D NAND类似于一座垂直摩天大楼，其中水平的存储单元层被堆叠起来，然后使用微小的垂直通道连接起来。

3D NAND是由堆叠在一个设备的层数量化的。随着层数的增加，系统中的位密度也会增加。但是，随着更多层的添加，制造方面的挑战将逐步升级。

3D NAND也需要一些复杂的沉积和蚀刻步骤。“我们使用不同的化学物质，也需要一些蚀刻技术，特别是高纵横比蚀刻（简称HAR）。对于3D NAND，这变得非常关键。”在最近的一次展示中，TEL America副总裁Ben Rathsack说道。

去年，供应商开始出货64层3D NAND产品。TechInsights高级技术研究员Choe表示:“如今，92层和96层的3D NAND设备很常见；这些设备在移动设备、SSD和企业市场中被广泛采用。”

下一代技术是128层3D NAND。有报道称，由于产能问题，这里出现了一些延迟。Choe称：“128L刚刚发布，128L SSD刚刚面市；不过，产能问题仍然存在。”

目前还不清楚这个问题会持续多久。尽管如此，供应商们正在采取不同的方式来扩大3D NAND的规模。有些使用所谓的字符串叠加方法。例如，一些厂商正在开发两个64层的设备，并将它们堆叠起来，形成一个128层的设备。

其他厂商则走另一条路。Choe说:“三星在128L中一直采用单栈方式，这涉及到非常高的纵横比垂直通道蚀刻。”

业界将继续扩大3D NAND的规模。Choe预计，到2021年底，176- 192层的3D NAND部件将投入风险生产。

这里有一些挑战。“我们对3D NAND规模持乐观态度，”Lam Research的CTO Gottscho说。“扩大3D NAND规模有两个大挑战。其中之一就是当你沉积越来越多的层时，薄膜中的应力会增加，这会使晶圆发生扭曲，所以当你进入双层或三层时，对齐就成了一个更大的挑战。”

目前还不清楚3D NAND能发展到什么程度，但对更多比特的需求总是存在的。Gottscho说:“长期来看，需求非常强劲。数据、数据生成和存储出现爆炸式增长，所有这些挖掘数据的应用程序将为新应用程序提供更多数据，因此对数据和非易失性存储数据的需求将持续增长。”

下一代内存

业界一直在开发几种下一代内存类型，如相变存储器(PCM)、STT-MRAM、电阻式RAM(ReRAM)等。

这些内存类型极具吸引力，因为他们结合了SRAM的速度和闪存的非易失性以及无限持久性。但是，这些新内存需要更长的时间来开发，因为它们使用复杂的材料和转换模式来存储数据。

在新的内存类型中，PCM是最成功的。一段时间以来，英特尔一直在推出3D XPoint，这是一款PCM；美光也在推PCM。PCM通过改变材料的状态来存储数据，速度比FLASH快，有更好的持久性。

STT-MRAM也在出货。它具有静态存储器的速度和FLASH的非易失性，具有无限的持久性。它利用电子自旋的磁性为芯片提供非易失的特性。

STT-MRAM应用在独立和嵌入式应用系统中。在嵌入式领域，它的目标是在22nm及以上节点的微控制器和其他芯片上取代NOR (eFlash)。

与FLASH相比，ReRAM具有更低的读取延迟和更快的写入性能。ReRAM将电压施加到材料堆上，使电阻发生变化，从而在存储器中记录数据。

UMC产品管理技术总监David Uriu表示:“在某种程度上，ReRAM和MRAM都受到了缺乏成功批量使用案例的影响。从PCM到MRAM再到ReRAM，每种技术都有自己的优缺点。这些技术的未来预测令人兴奋，但事实是，它们仍在研究中。”

如今PCM已经发力，其他技术才刚刚开始生根发芽。“产品采用的成熟度问题需要随着时间推移来证明，以获得对解决方案能力的信心，”Uriu说。“成本、模拟性能和一般使用案例的问题已经提出来，只有少数遇到了挑战。大多数风险太大，无法投入生产。”

这并不是说MRAM和ReRAM的潜力有限。“我们确实看到了MRAM和ReRAM的未来潜力。PCM虽然相对昂贵，但被证明是有效的，并且已经开始成熟。我们的行业不断改进与开发这些较新的内存设计相关的材料和用例，这些将被带到市场上的高级应用，如人工智能、机器学习和内存处理或内存计算应用。它们将扩展到我们今天使用的许多机器中，用于消费、智能物联网、通信、3D传感、医疗、交通和信息娱乐等应用。”

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