半导体专题之NAND Flash芯片知识详解
只读存储器（rom）是只能读取实现存储的信息的存储器。断电后所存数据不会丢失，根据可编程、可抹除功能，rom可分为prom、eprom、otprom、eeprom和flash等。flash是当前主流的存储器，具备电子可擦除可编程的性能，能够快速读取数据而且断电时不会丢失数据，往往与dram搭配使用。flash可进一步细分为nand flash和nor flash。nand flash是只读存储器中的主流。
一、nand的演变：从2d nand向3d nand
（一）nand分类：nand flash、nor flash
nand flash：写入和擦除的速度快，存储密度高，容量大，但不能直接运行nand flash上的代码，适用于高容量数据的存储。
nor flash：优势是芯片内执行——无需系统ram就可直接运行nor flash里面的代码，容量较小，一般为1mb-2gb。
（二）发展趋势：高密度存储、3d堆叠
1、3d nand发展仅十余年，主流厂商快速扩张中
3d nand于2014年开始商业化量产，主流厂商基本实现产品转换。2007年，东芝最早推出bics类型的3d nand。2013年三星推出第一代v-nand类型的3d nand。2014 年，sandisk 和东芝宣布推出3d nand生产设备，三星率先发售32层mlc 3d v-nand，至此3d nand市场开始快速扩张。
3d nand存储单元向tlc、qlc等高密度存储演进。nand flash根据存储单元密度可分为slc、mlc、tlc、qlc等，对应 1 个存储单元分别可存放1、2、3 和 4bit的数据。存储单元密度越大，寿命越短、速度越慢，但容量越大、成本越低。目前nand flash以tlc为主，qlc比重在逐步提高。
半导体存储器发展已有55年，其中dram发展已有55年，flash发展已有40年，由于2d nand和3d nand技术差别巨大，实际上3d nand发展历史仅仅十余年，技术成熟度远不如dram。
2、3d nand技术的优点
（1）3d堆叠大幅提升容量，相同单元密度下寿命较2d结构延长
3d nand是一项革命性的新技术，首先重新构建了存储单元的结构，并将存储单元堆叠起来。3d nand带来的变化有：（1）总体容量大幅提升；（2）单位面积容量提高。对于特定容量的芯片，3d nand所需制程比2d nand要低得多（更大线宽），因而可以有效抑制干扰，保存更多的电量，稳定性增强，例如同为tlc的3d nand寿命较2d nand延长。
（2）工艺制程演进相对缓慢，3d堆叠层数增长迅速
从2014年到2020年，各家厂商3d nand堆叠层数从32层增长至128层，大致3年层数翻一倍，而工艺制程在2d nand时期就达到19nm，转换成3d nand工艺制程倒退至20-40nm，而后又逐步往更高制程演进，制程演进相对逻辑芯片较慢。从制程上看，主流厂商的3d nand芯片使用20-19nm的制程，从技术上看，20nm左右的制程最适合3d nand，制程节点小了之后，每个存储单元能容纳的电子数量就会变少，发展到一定阶段之后，闪存就很容易因为电子流失而丢失其中保存的数据。
2022年，美光技术与产品执行副总裁scottdeboer与高管团队宣布美光下一代232层nand闪存将于2022年底前实现量产。2023年三星电子宣布计划在明年生产第9代v-nand闪存，这款闪存将采用双层堆栈架构，并超过300层。今年8月，sk海力士表示将进一步完善321层nand闪存，并计划于2025年上半期开始量产。
堆叠层数仍有较大提升空间。按照sk海力士的预测，3d nand在发展到层数超过600层的阶段时才会遇到瓶颈，目前市场上主流产品低于200层，未来技术升级空间较大。
主流厂商基本实现从2d nand到3d nand的产品转换，三星电子领先1-2年。从2014年3d nand量产开始，到2018年主要nand厂商基本完成从2d到3d的产品转换。2018年nand flash厂商三星电子、东芝/西部数据、美光、英特尔等原厂的3d nand生产比重己超过80%，美光甚至达到90%。目前，各家厂家已实现128层（铠侠和西部数据是112层）的量产，176层正成为主流，2xx层以上的研发和量产正在推进，其中三星研发进度最为领先，比其他厂商领先1-2年。
二、nand flash下游及推动力
nand flash 下游市场中，计算、无线通讯、消费和工业分别占 54.8%、34.1%、6.1%、2.6%。
根据招商证券测算，ai 服务器相较普通/高性能服务器对 nand 容量大约有 2-4 倍的拉动。
由于机械硬盘持续进行成本优化，普通服务器依然会配备较多的机械硬盘，而高性能服务器和ai服务器对于存储速度、准确性等提出更高要求，因此主要配备固态硬盘。
从容量上看，传统服务器np5570m5最多支持16块2.5英寸sas硬盘或4块3.5英寸sata硬盘，sas硬盘支持300gb/600gb/1tb/1.2tb/1.8tb/2.4tb容量，sata硬盘支持1/2/4/6/8tb容量，按照中间容量测算，系统硬盘容量大约共8-16tb；高性能nf5280m6型号最大支持20块3.5英寸硬盘，系统硬盘容量大约20tb；ai服务器采用的硬盘容量大约30tb，相较传统服务器nand容量提升大约2-4倍。
进一步推算：
1）基础型服务器：根据idc，基础型服务器中cpu、内存和硬盘的占比最高，根据英特尔，典型的x86服务器—e5高配服务器的成本中硬盘、cpu和内存成本占比分别为31%、28%和21%。例如浪潮nf5270m5售价大约39000元，采用2颗xeonsilver4214cpu，每颗售价大约1000美金，cpu成本占比大约32%；配置16个32gbddr4，按单gb成本3美金计算，dram成本占比大约26%；最大支持25块2.5英寸硬盘，按照每块硬盘512gb、1tbsata40美元计算，硬盘总价值量占比大约20%；
2）ai服务器：以英伟达dgxa100系统为例，售价大约19.5万美金，含有2颗amd rome7742，每颗售价大约7000美金，价值量占比大约7%；含有8颗a100 gpu，每颗gpu售价大约1-1.5万美元，gpu价值量占比大约40-50%；cpu采用2tb的ddr4，价值量占比大约3-4%；gpu配置共640gb hbm2e，假设单gb价值量15-20美金，价值量占比大约5-8%；操作系统配备2块1.9tb ssd，内部配备8块3.84tb ssd，按照1块1.92tb数据中心ssd 650美元、1块3.84tb数据中心ssd 1200美元测算，硬盘价值占比大约6%。
三、相关标的
1、存储芯片：兆易创新、北京君正、东芯股份
2、存储经销：香农芯创、雅创电子
3、ai服务器及hbm配套：国芯科技、澜起科技、创益通
附：ai 服务器存储及先进封装产业链上市标的
资料来源：中信建投电子、招商证券电子
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nor flash：优势是芯片内执行——无需系统ram就可直接运行nor flash里面的代码，容量较小，一般为1mb-2gb。
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1、3d nand发展仅十余年，主流厂商快速扩张中
3d nand于2014年开始商业化量产，主流厂商基本实现产品转换。2007年，东芝最早推出bics类型的3d nand。2013年三星推出第一代v-nand类型的3d nand。2014 年，sandisk 和东芝宣布推出3d nand生产设备，三星率先发售32层mlc 3d v-nand，至此3d nand市场开始快速扩张。
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从2014年到2020年，各家厂商3d nand堆叠层数从32层增长至128层，大致3年层数翻一倍，而工艺制程在2d nand时期就达到19nm，转换成3d nand工艺制程倒退至20-40nm，而后又逐步往更高制程演进，制程演进相对逻辑芯片较慢。从制程上看，主流厂商的3d nand芯片使用20-19nm的制程，从技术上看，20nm左右的制程最适合3d nand，制程节点小了之后，每个存储单元能容纳的电子数量就会变少，发展到一定阶段之后，闪存就很容易因为电子流失而丢失其中保存的数据。
2022年，美光技术与产品执行副总裁scottdeboer与高管团队宣布美光下一代232层nand闪存将于2022年底前实现量产。2023年三星电子宣布计划在明年生产第9代v-nand闪存，这款闪存将采用双层堆栈架构，并超过300层。今年8月，sk海力士表示将进一步完善321层nand闪存，并计划于2025年上半期开始量产。
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