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鴻海搶標東芝半導體 解開快閃聖杯之謎

撰文: AplusFlashTechnology總裁李武開 日期:2017-05-22 分類: 科技線上

以台灣現況而言,DRAM幾已式微,若政府對3D-NAND再無具體作為,乃等同宣示台灣為「無記憶體之國」,眼睜睜地看著舊日曾撐起台灣半天邊,未來只㑹更大的兆元記憶體產業的全盤傾倒,台灣堪憂!

(作者:美國 Aplus Flash Technology 總裁李武開,4D-NAND 發明者,作者信箱:peter@aplusflash.com )

1987年,當日本東芝半導體開始量產「快閃之父」Fujio Masuoka博士所發明的史上首顆2D-NAND快閃記憶體後,它很快成為舉世公認的「半導體硬碟」SSD的代名詞。 緊接著,當世界快速地邁入大數據丶互聯網丶後電腦行動時代後,由於新興市場的巨大需求,加上東芝快閃的獨特優越架構,其容量和產值均增加神速,甚至超越了「摩爾定律」。往後卅年內,每1.5年均能持續地保有驚人的倍數成長,對世界半導體作出了巨大貢獻,也奠定了東芝在快閃行業中崇高的開山祖地位。

但東芝高層並沒有給他足夠的榮譽和獎賞,因此在服務21年後,於2004年憤而辭職。並在2008年控告其老東家需補償他800萬美元的獎金,最後僅以80萬美元,區區十分之一的金額草草結案。

在2013年美國聖荷西國際快閃高峰會(FMS)的千人大會上,終於還給Fujio Masuoka一個公道,頒給他一個最高榮譽的「終生成就奬」。2016年當NAND 的年產值超過400億美元,不僅取代舊龍頭DRAM,變成半導體第一,又在單位容量賣價上打敗了稱霸多年的「機械式硬碟」HDD,登上了另一個歷史高峯。因此2017年春節年假尚未結束時,突然傳來東芝有意快速出售其高利潤的NAND快閃部門,來補償其在美國核電廠投資巨額損失的不尋常舉動,馬上捲起了千層巨浪,更深深震撼了全球記憶體產業。

東芝NAND快閃釋股的戰略分析

1)第一輪對任何買家均不設限,有利炒股測水溫之嫌:
在今年三月投標日截止之前,總共吸引了約十家美丶日丶韓丶台等大咖企業前來搶親,其過程中,以鴻海單獨出資3兆日元天價的聘金,成了全球最吸睛事件。

2)第二輪設下以「美丶日買家為優先」,大辣辣地防中丶台丶韓等買家:
筆者猜這是日本官民基金INCJ,在第一輪確定世界排名第一的美國「無工廠設計公司」博通等出資 2.5兆日圓,已遠超出其預定金額後,所推出的有排中丶台丶韓等岐視條款。

但若因此粗淺地認為東芝釋股不排美,不防美也是站不住腳的。證據一是東芝和其伙伴威騰已合蓋了幾座NAND廠,但全部建在日本,美國一座也没有;證據二是五月中旬的傳聞,INCJ已在運作組成「全日系買家」,但因兆元聘金實在過於龎大,不易在短期內統籌成功,可能被迫延長第二次決標截止日期至今年六月。

東芝快閃釋股交易的「井外觀點」

在創新領域英文有一句老話,叫做「Out-of-Box Thinking」,譯為「井外觀點」以別於「井內觀點」。「井外觀點」強調其看法敢於創新,從井外海濶天空無拘無束、較獨立的條件下來透視問題。

1)東芝快閃釋股事件,應訂位為一般大商業行為, 不能和「國安問題」畫上等號:
因為NAND有關的技術專利發明,仍屬商業層次,均詳細地公開於世界各國專利局,實無機密可言,因此國安問題,不能被過度放大,進而扭曲了其商業交易的合法性和透明性,模糊了焦點。

2)東芝快閃工藝有其優越性和侷限性,無法吸引全球老玩家來搶親:
證據是買家中缺了排名世界第一的三星、第四的美光和第六美光富爸爸英特爾,而僅排名第三的東芝伙伴威騰及排名第五的海力士,積極地和兩大新玩家鴻海和博通作激烈競爭。原因無它,東芝3D-NAND開發雖已耗掉十年,但真正量產尚屬初始階段,落後三星最少三年。另外,東芝工藝和三星丶美光相比,並不突出且無勝算把握之勢。

3)東芝快閃工藝對中國而言,只是其眾多發展中3D-NAND的另一個選項而已:
證據一是美國英特爾和美光,早在中國大連蓋廠,生產第一類3D-NAND;證據二是韓國三星也在中國西安生產第二類3D-NAND;證據三是美國Cypress(賽普拉斯半導體),也在幇助中國紫光在武漢和南京發展第三類3D-NAND。

雖然前兩種快閃,中國没擁有產品權,但其所布格局甚大,中國是全球唯一的國家,同時擁有三種當紅3D-NAND,在其境內訓練其國內工程師,對中國而言,東芝快閃的機密性和重要性,已相對薄弱,只是多一個選項而已。因此東芝以防止鴻海洩漏其機密至中國,來排斥甚至可能以鴻海子公司夏普為主導的日丶美丶台聯軍的搶親,有涉「井內觀點」之嫌,對台灣極不公平。

4) 東芝若拒絕鴻海集團搶親, 其美國核電廠錯誤的決定, 可能重演:
因為鴻海新集團成員如蘋果丶亞馬遜丶戴爾丶及鴻海,均是快閃使用大戶,若排斥此集團入股,絶對是阻礙東芝一個跳躍式成長的機會,其市場佔有率,恐落後三星愈來愈遠,有違其最大商業利益之慮。

5) 自己國家的科技自己救:
「東芝快閃嫁女劇」明顯告訴世人,由於目前國際間瀰漫著冷戰思維,任何高科技創新產業,只能靠自己長期開發研究,由小到大「一步一脚印」走出來的,它已無法憑靠花大錢購買而速成。以台灣現況而言,DRAM幾已式微,若政府對3D-NAND再無具體作為,乃等同宣示台灣為「無記憶體之國」,眼睜睜地看著舊日曾撐起台灣半天邊,未來只㑹更大的兆元記憶體產業的全盤傾倒,台灣堪憂!

6) 未來,誰主宰記憶體,誰就主宰半導體,不是CPU(中央處理器),也不是晶圓代工:
最近市場上,因DRAM和NAND報價爆漲,三星藉其記憶體龍頭地位,幾乎壟斷式的高額利潤,今年已有機會取代設計第一的英特爾,往後甚至有可能超越代工第一的台積電,成為世界半導體的新盟主。

總之,尖端快閃其技術門檻甚高,已不能如以往「井內觀點」視之為一般爛價低利潤商品(Commodity);反之,台灣應優先「尖端快閃」地位,不能袖手旁觀,譲鴻海單打獨鬥,多方引進或自主開發尖端快閃科技,乃現任政府無法推諉的責任。最後,國人也應該對鴻海郭董事長不畏艱難,決心進入快閃的魄力和眼光,給予熱烈的掌聲。

未來趨勢 「4D-NAND」釋放了「3D-NAND」必要之惡的設計原罪

多年來尋找符合「上帝聖杯」條件的記憶體,乃半導體科學家夢寐以求的最高境界,但聖杯的條件又是什麼呢?目前業界的具體共識條件有三:

第一,必需是非揮發性記憶體(NVM);第二是要具有如DRAM(VM)般的快速度(>250ns) 和高品質;第三要達成最高容量至少1兆位元(>1Tb=10的12次方 bits) 和最低成本(10-cent/GB)。目前3D-NAND在條件三居領導地位,但條件二由於其「必要之惡」的設計原罪,在記憶體評比上,不僅其讀寫速度最慢,資料品質也最差。三十年來,針對達成條件二的設計目摽,不管何類3D-NAND,均完全束手無策。井外尋找聖杯已成共識。

至2017年為止,已有兩個新興的非揮發性記憶體稱為SCM(Storage-Class-Memory) 躍出台上,激烈角逐「快閃聖杯」。一為美光/英特爾自2016年開始量產的3D-Xpoint,二為威騰/東芝合作開發的3D-ReRAM。雖然宣稱其讀寫速度是3D-NAND的千倍,但在系統上實質量測結果,只改進約十倍而已。

在條件三的成本計算上,目前已證明兩者雖比DRAM便宜甚多,但仍舊遠遠不敵最低價的3D-NAND。在大存儲(Mass-storage)巨大市場上,3D-NAND仍穩穩地保持其至尊地位。結果是3D-NAND丶3D-Xpoint丶和3D-ReRAM 共存於不同應用上的場面,但「快閃聖杯」的尋找仍然落空,聖杯之䛧依然未解。

有別於對手,我們從「井外觀點」出發,提出一個基本上「完全自主創新」的「3D-NAND+類DRAM」混合型的4D-NAND,來接受「快閃聖杯」三條件的檢驗。它最大的特徵是啓用了一個內隱「一時多工」的平行架構,而3D-NAND只能執行「一時一工」。

若一時多工在4D-NAND同時執行時,在速度上4D-NAND將比3D-NAND 快一到十倍。如同愛因斯坦「相對論」所述, 時間長度已不再是常數。等效上,時間在4D-NAND系統中變長了,事情就作多了;反之,時間在3D-NAND系統中變短了,事情就作少了。 總的來說,4D-NAND設計是集前端高速度「揮發性」DRAM和後端極低價「非揮發性」3D-NAND於一身,很巧妙地「釋放」了前所述的3D-NAND「原罪」。 4D-NAND不僅前可攻傳統極低單價的3D-NAND市場,後也可攻高單價新興的SCM市場, 堪稱「一石兩鳥」,可能是尋找已久的「聖杯」。

※中國3D-NAND 發展現況
 
至2017年為止,在中國境內,總共有三類3D-NAND同時在發展進行中,其中以韓國三星,在中國西安大量生產的第一類的3D V-NAND,排名第一;美國美光/英特爾,在中國大連量產的第二類的3D-NAND,排名第二,以及紫光/Cypress在中國武漢,才準備要合作生產的第三類,比較落後的32層3D-NAND等。此三種3D-NAND之間的工藝有何區別?簡單解釋如下。 第一類:三星64層3D-NAND,又稱為第四代V-NAND。
 
據媒體報導,第四代64層V-NAND主要是在韓國國內生產,至於在中國西安生產的,可能仍是其第三代48層V-NAND或以下。
 
3D-NAND位元基本結構和其操作方式:相比傳統的FG(Floating Gate,浮柵極)技術難度要小一些,這多少也幫助三星占了時間優勢(原文網址:https://kknews.cc/tech/a9kg5j.html)
 三星的3D-NAND cell(位元),基本上是採用全新的且沒在2D-NAND生產過的1-poly charge-trappingcell (電荷擷取式CTF)的架構,但其中兩種最重要的高壓基本操作方式,如擦洗(Erase)和程式(Program)的物理特性和條件,還是使用如2D-NAND的FN-Tunneling(FN穿隧)特性,因此在設計上,其風險性較低。從2013年開始,早已超越競爭者三年以上並進入量產了。
 
第二類:美光/英特爾第二代64層3D-NAND。
 
它主要還是在美國國內生產,在中國大連生產的,可能只是其第一代,32層、3D-NAND。
 
1)美光/英特爾3D-NAND位元的基本架構:
它仍維持和2D-NANDcell一樣,使用2-poly floating-gate cell (傳統懸浮閘式FG)。和三星一樣,其兩種最重要的高壓基本操作方式,如擦洗(Erase)和程式(Program)的物理特性和條件,完全延續了2D-NAND 有卅年量產證明的特性,達到品質相對地有較高的保證。
 
2)週邊CMOS線路的特殊形成和安排,首次亮相:
2016年是3D-NAND工藝很重要的分水嶺,因為美光/英特爾在美國舊金山國際半導體ISSCC(國際固態電路會議)年會上,發表一個嶄新的3D-NAND工藝架構。反其道而行,把傳統置於快閃週邊很耗面積的大部分CMOS(互補式金屬氧化物半導體)線路,不僅多倍的增加,且直接形成在整個3D-NAND「大儲存列陣」之下。其目地,除了能大大提升快閃讀寫速度之外,它的面積不增反減節約20%,也造就了其快閃製造成本進一步的降低。
 
第三類: 生產基地在中國武漢,紫光/Cypress第一代32-層3D-NAND。
 
3D-NAND位元基本結構和其操作方式:基本上,採用了Spansion(飛索半導體)在2D-NOR量產過的1-poly charge-trapping cell (Mirror-bit電荷擷取式)的架構。在3D-NAND上的量產狀況,仍有待往後的證明。
 
結論,三星和美光/英特爾在歷史上,一直就很自豪其自家記憶體的實力和經驗,這也說明,他們為什麼都不競標東芝快閃的原因。


小博士:
目前三星、東芝、晟碟(新帝)、英特爾、SK海力士、美光等六家的快閃記憶體產能已占據全球NAND快閃記憶體市場近九成的市場比重,隨著晶圓物理極限出現,固態硬碟存儲單元能夠裝載的記憶體顆粒逼近極限,於是有了世代的演進,來增加記憶體空間。如果用蓋樓的方式比喻,2D-NAND是平房,3D-NAND是樓房,4D-NAND則是「3D-NAND+類DRAM」的混合型。

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