國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)的困境，該如何破解？

　　隨著5G、AI、IoT等技術(shù)帶來(lái)的消費(fèi)電子和大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)存儲(chǔ)的需求將越發(fā)白熱化。

　　作為重要的半導(dǎo)體產(chǎn)品類型之一，存儲(chǔ)器約占全球半導(dǎo)體產(chǎn)值的三分之一。數(shù)據(jù)顯示，2020年全球存儲(chǔ)器收入增加135億美元，占2020年整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)收入增長(zhǎng)的44%。

　　存儲(chǔ)器市場(chǎng)概覽

　　從市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，當(dāng)下最主流的存儲(chǔ)器是DRAM，NAND Flash，NOR Flash，這三者占據(jù)了所有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器規(guī)模的95%左右，尤其是前兩者，占總規(guī)模約9成，市場(chǎng)規(guī)模均在數(shù)百億美元。

存儲(chǔ)器領(lǐng)域的基本類型 來(lái)源：維基百科, 長(zhǎng)江證券研究所

　　其中DRAM 2018年的市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到1000億美元，根據(jù)IC Insights最新預(yù)測(cè),預(yù)計(jì)到2026年全球DRAM市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到1219億美元左右。NOR Flash全球市場(chǎng)規(guī)模約30億美元，相對(duì)DRAM和NAND來(lái)說(shuō)，NOR市場(chǎng)要小的多，分散程度也更大。

　　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一個(gè)高度壟斷的市場(chǎng)，DRAM和NAND Flash全球市場(chǎng)基本被前三大公司占據(jù)，且近年來(lái)壟斷程度逐步加劇。根據(jù)中國(guó)閃存市場(chǎng)的數(shù)據(jù)，2020年，DRAM市場(chǎng)95%的份額被三星、SK海力士和美光占據(jù)，而三星、鎧俠、西部數(shù)據(jù)、美光、SK海力士、英特爾則占據(jù)了NAND市場(chǎng)約99%的市場(chǎng)份額。

　　具體看這三大存儲(chǔ)器，他們各有不同：

　　DRAM數(shù)據(jù)易失，容量小。盡管DRAM各項(xiàng)性能都很優(yōu)秀——納秒級(jí)別的延遲，數(shù)十GB/S的帶寬，接近于“長(zhǎng)生不老”的壽命；然而它是易失性存儲(chǔ)器，即斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，而且，其成本比閃存高，容量也較小。

　　NAND Flash延遲長(zhǎng)，壽命短，平面微縮已到極限。其每次寫入數(shù)據(jù)時(shí)需要施加高壓，讓電子突破晶體管的氧化膜進(jìn)入浮動(dòng)?xùn)艠O，這一過(guò)程會(huì)對(duì)氧化膜造成不可逆的損害，性能最好的SLC NAND，讀寫次數(shù)也只有10萬(wàn)次左右，而差一些的MLC，TLC的讀寫壽命均以千次為量級(jí)。

　　NOR Flash特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP，Execute In Place），即應(yīng)用程序不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中，而是可以直接在Flash閃存內(nèi)運(yùn)行。NOR Flash的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用程序可以直接在Flash閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中，故其傳輸效率很高，讀取速度快，在1~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，主要被用來(lái)存儲(chǔ)程序。然而NOR的器件結(jié)構(gòu)要求其在進(jìn)行擦除前先要將所有的位都寫入0，這就使得其擦除速度很低，同時(shí)由于閃存在寫入數(shù)據(jù)之前，均要求進(jìn)行擦除，故這也會(huì)影響到NOR的寫入速度。

　　綜上所述，這三類主流存儲(chǔ)器都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，他們的缺點(diǎn)也在被逐漸放大。

　　現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)

　　須知小存儲(chǔ)單元尺寸 (Cell Size)、高性能 (Performance) 以及低功耗 (Power Consumption) 一直是存儲(chǔ)器業(yè)者持續(xù)追求的目標(biāo)。

　　當(dāng)半導(dǎo)體制程走到14nm 以下，半導(dǎo)體工藝遷移到 Fin-FET (Fin Field-Effect Transistor，鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管)后，該技術(shù)無(wú)法直接套用在既有的一些嵌入式存儲(chǔ)元件上。再者，未來(lái)人工智能 (AI) 及邊緣計(jì)算 (Edge Computing) 等等高計(jì)算能力的需求使得現(xiàn)存高容量存儲(chǔ)器，如 DRAM、NAND 閃存的高耗電及速度問題已無(wú)法跟上需求的腳步。

　　存儲(chǔ)器密度不斷提高，基本原件尺寸在不斷縮小，CPU對(duì)存儲(chǔ)器容量需求不斷增加，這些問題在未來(lái)將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

　　半導(dǎo)體的核心是摩爾定律，簡(jiǎn)單講就是通過(guò)把單位元器件做的越來(lái)越小，從而提高單位晶圓上的存儲(chǔ)密度和功能?，F(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)（DRAM和Flash）都面臨同樣的問題，半導(dǎo)體工藝縮微化不能繼續(xù)縮小。

　　與此同時(shí)，存儲(chǔ)器消耗太多電力。物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和移動(dòng)裝置使用電池電力運(yùn)行，其存儲(chǔ)器必須謹(jǐn)慎選擇，因?yàn)樗鼈兿拇蟛糠值碾姵仉娏Γ档土穗姵厥褂脮r(shí)間。

　　下一代移動(dòng)架構(gòu)將為人工智能及邊緣計(jì)算導(dǎo)入更高的計(jì)算能力需求，同時(shí)要求更低的功耗以滿足消費(fèi)者的期望以及在嚴(yán)峻的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲勝。當(dāng)然這些必須以低成本實(shí)現(xiàn)，而這就是現(xiàn)有存儲(chǔ)器技術(shù)的挑戰(zhàn)。

　　總結(jié)而言，現(xiàn)有存儲(chǔ)器具有內(nèi)外存性能不匹配、內(nèi)存不具備非易失性、外存微縮難度大等問題，因此新型存儲(chǔ)開始受到廣泛關(guān)注。有業(yè)內(nèi)人士指出，新的存儲(chǔ)技術(shù)必將取代現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)，這是歷史發(fā)展的必然趨勢(shì)。

　　新型存儲(chǔ)能解決什么問題？

　　目前，流行的新型存儲(chǔ)技術(shù)主要有MRAM、ReRAM 、PRAM 以及FeRAM。

　　PCM（Phase Change RAM）：相變隨機(jī)存儲(chǔ)器，此類存儲(chǔ)器利用材料晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)化后導(dǎo)電性的差異來(lái)存儲(chǔ)信息，過(guò)程主要可以分為SET和RESET兩步。

　　FRAM（Ferromagnetic RAM）：鐵電存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)與DRAM大致相同，基本單元由一個(gè)MOS管和電容組成，但DRAM電容的電介質(zhì)材料斷電后無(wú)法繼續(xù)存儲(chǔ)電荷，F(xiàn)RAM則使用斷電后電荷不會(huì)丟失的鐵電晶體作為電介質(zhì)，當(dāng)在平面電容中加電壓時(shí)，鐵電晶體在電場(chǎng)作用下會(huì)形成極化電荷，正向電壓下所形成的極化電荷較低，反向電壓下所形成的極化電荷較高，這種二元穩(wěn)定狀態(tài)使其可以作為存儲(chǔ)器。

　　MRAM（Magnetic RAM）：磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，它靠磁場(chǎng)極化而非電荷來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　ReRAM（Resistive RandomAccess Memory）：阻變式存儲(chǔ)器，典型的RRAM由兩個(gè)金屬電極夾一個(gè)薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲(chǔ)介質(zhì)。

　　這些新型存儲(chǔ)器或者具有更快的存取速度，或者具有更高的耐用性，或者具有更小的裸片尺寸、成本和功耗，甚至有可能為未來(lái)存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算 (In-Memory Compute)的開發(fā)提供支撐。

　　新型存儲(chǔ)技術(shù)的出現(xiàn)，使得各個(gè)因素造成現(xiàn)今使用之存儲(chǔ)器的功耗問題將不復(fù)存在。此外，這些新型的存儲(chǔ)器都是非易失性的，所以不需要刷新它們。

　　與 DRAM 相比，可以自動(dòng)降低 20％ 的功耗。由于它們都可以在不擦除的情況下覆蓋舊數(shù)據(jù)，因此可以節(jié)省閃存所需的高擦除能耗，以及慢擦除周期引起的延遲 (該屬性稱為原位編程 (In-Situ Programming))。

　　與閃存相比，這些新技術(shù)的寫入過(guò)程能量要求非常低，減少或消除了對(duì)低效電荷泵的需求。最后，所有這些新技術(shù)都提供隨機(jī)數(shù)據(jù)訪問，減少了保留兩個(gè)副本 — 一個(gè)在閃存，一個(gè)在 DRAM — 的需求。

　　因此使用新型存儲(chǔ)器技術(shù)來(lái)取代當(dāng)今的傳統(tǒng) DRAM + NAND 閃存架構(gòu)，將帶來(lái)顯著的的功率節(jié)省以及性能提升。

　　了不起的PCM

　　當(dāng)前的新型存儲(chǔ)均處于起步階段，其中PCM(Phase Change Memory)技術(shù)發(fā)展最成熟，是唯一一個(gè)有大容量，大規(guī)模量產(chǎn)的技術(shù)。

　　PCM(Phase Change Memory)即相變存儲(chǔ)器 ，也有人稱之為 PRAM (Phase-change RAM)，已經(jīng)研究了幾十年，Intel 聯(lián)合創(chuàng)始人 Gordon Moore 早在 1970 年就發(fā)表了一篇描述早期原型的論文。相變存儲(chǔ)器通過(guò)熱能的轉(zhuǎn)變，讓相變材料在低電阻結(jié)晶 (導(dǎo)電) 狀態(tài)與高電阻非結(jié)晶 (非導(dǎo)電) 狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。

　　PCM 速度慢于 DRAM，但比 Flash 快近 1000 倍；PCM 存儲(chǔ)密度高于 DRAM，但是比Flash 要低。目前存儲(chǔ)器運(yùn)用過(guò)程中，DRAM 和 Flash 兩者在整個(gè)系統(tǒng)中不匹配，需要新的存儲(chǔ)器來(lái)構(gòu)建整個(gè)架構(gòu)，相變存儲(chǔ)器優(yōu)勢(shì)很多，市場(chǎng)有很大的需求，很多公司在推產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

　　三星 2008 年基于 90nm 工藝制備 512Mb 相變存儲(chǔ)器芯片；2011 年基于 58nm 工藝制備 1Gb 相變存儲(chǔ)器芯片；2012 年基于 20nm 工藝制備 8Gb 相變存儲(chǔ)器芯片；2014 年發(fā)布相 變存儲(chǔ)器的產(chǎn)業(yè)報(bào)告。

　　美光 2009 年基于 45nm 工藝制備 1Gb 相變存儲(chǔ)器芯片；2011 年發(fā)布第一款基于相變存儲(chǔ)器 的 SSD；2013 年基于 45nm 工藝 1Gb 相變存儲(chǔ)器芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；2015 年聯(lián)合 Intel 發(fā)布 3D Xpoint。

　　意法半導(dǎo)體 2009 年聯(lián)合恒億共同發(fā)布 90nm 工藝 4Mb 嵌入式相變存儲(chǔ)器芯片；2010 年，發(fā)布了 通過(guò)材料改性工程 N-GeTe 實(shí)現(xiàn)更好的熱穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)保持；2013 年，發(fā)布了通過(guò)材 料改性工程 N-Ge-GST 實(shí)現(xiàn) SET 與高低組保持的性能平衡。

　　IBM 2011年發(fā)布了多值的相變存儲(chǔ)器操作算法，然后推出了基于 MIEC 材料選通的多 層 crosspoint 存儲(chǔ)器。2014 年IBM 發(fā)布了6 位多值存儲(chǔ)電阻漂移的算法解決辦法，2016 年發(fā)布多值相變存儲(chǔ)器，進(jìn)入 90nm工藝。國(guó)際其他產(chǎn)家，包括英特爾、臺(tái)積電等都有在其中做過(guò)相關(guān)工作。

　　我國(guó)新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)化能力及知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局尚在起步階段，相變存儲(chǔ)器和阻變存儲(chǔ)器的專利從2000年左右開始逐漸增加，磁變存儲(chǔ)器更是從1990年就開始有專利申請(qǐng)。

　　從2002年起，中科院上海微系統(tǒng)所就開始攻關(guān)下一代新型相變存儲(chǔ)器，并承接我國(guó)“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”、“973計(jì)劃”等相關(guān)任務(wù)。2011年，中科院上海微系統(tǒng)所、中芯國(guó)際、微芯等企業(yè)組建百余人產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)出擁有自主技術(shù)的相變存儲(chǔ)器，隨后進(jìn)一步向工程化領(lǐng)域發(fā)展。

　　值得注意的是一家國(guó)產(chǎn)廠商——江蘇時(shí)代芯存半導(dǎo)體（以下簡(jiǎn)稱“時(shí)代芯存”），也在進(jìn)行PCM的研發(fā)，其研發(fā)時(shí)間已超過(guò)10年，是國(guó)內(nèi)現(xiàn)在唯一一家PCM真正形成生產(chǎn)能力的半導(dǎo)體公司，時(shí)代芯存也是第四代存儲(chǔ)器領(lǐng)域全球屈指可數(shù)具備自主研發(fā)和生產(chǎn)能力的半導(dǎo)體企業(yè)。

　　據(jù)悉，目前該公司產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)，正在進(jìn)行良率爬坡，工程樣品已經(jīng)通過(guò)多家客戶測(cè)試。根據(jù)介紹顯示，一期產(chǎn)品主要生產(chǎn)市場(chǎng)通用的EEPROM和Nor Flash，二期產(chǎn)品則主要生產(chǎn)永久內(nèi)存及高性能閃存。

　　資料顯示，江蘇淮安PCM生產(chǎn)項(xiàng)目總投資130億元，一期投資43億元，于2016年9月28日落戶國(guó)家級(jí)淮安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，用時(shí)9個(gè)月實(shí)現(xiàn)廠房封頂，3月22日首臺(tái)設(shè)備進(jìn)廠。項(xiàng)目全面建成后將達(dá)到年產(chǎn)10萬(wàn)片12英寸相變存儲(chǔ)器的產(chǎn)能，年可實(shí)現(xiàn)銷售45億元，目前該項(xiàng)目一期已具備年產(chǎn)6萬(wàn)片的生產(chǎn)線。從2016年9月落戶淮安以來(lái)，時(shí)代芯存保持了相當(dāng)快的項(xiàng)目推進(jìn)速度。

　　目前我國(guó)PCM技術(shù)發(fā)展與國(guó)際巨頭尚有一些距離，更應(yīng)當(dāng)以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以產(chǎn)業(yè)為主體，結(jié)合已有研發(fā)團(tuán)隊(duì)，快速推進(jìn)新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)避免盲目上規(guī)模。當(dāng)然也要注意產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同發(fā)展。鼓勵(lì)整機(jī)、CPU、存儲(chǔ)企業(yè)主體聯(lián)合參與，推動(dòng)新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)鏈快速成型。

　　總結(jié)

　　如今，存儲(chǔ)市場(chǎng)被三星、SK海力士、美光等存儲(chǔ)巨頭壟斷。國(guó)產(chǎn)廠商想要進(jìn)入該市場(chǎng)難上加難。但新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)尚未成熟，機(jī)遇大于挑戰(zhàn)。產(chǎn)業(yè)格局上，相對(duì)于傳統(tǒng)的DRAM和NAND Flash，新型存儲(chǔ)尚未形成行業(yè)壟斷，產(chǎn)品路線也不夠明朗，

　　我國(guó)在這一領(lǐng)域具有換道超車的可能。技術(shù)上，未來(lái)存儲(chǔ)技術(shù)路線尚不明確，存在技術(shù)追趕甚至反超的機(jī)遇。市場(chǎng)上，隨著我國(guó)在5G、人工智能等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展，存儲(chǔ)需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，有足夠廣闊的新型存儲(chǔ)潛在市場(chǎng)。

　　在時(shí)代芯存這類發(fā)展如PCM這樣新型存儲(chǔ)的廠商以及長(zhǎng)江存儲(chǔ)、紫光以及合肥長(zhǎng)鑫等發(fā)展DRAM、NAND Flash等主流存儲(chǔ)的廠商共同努力下，定能以星星之火掀起燎原之勢(shì)。

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