随着5G、AI、IoT等技术带来的消费电子和大规模数据中心的快速发展,市场对存储的需求将越发白热化。
作为重要的半导体产品类型之一,存储器约占全球半导体产值的三分之一。数据显示,2020年全球存储器收入增加135亿美元,占2020年整个半导体市场收入增长的44%。
存储器市场概览
从市场规模来看,当下最主流的存储器是DRAM,NAND Flash,NOR Flash,这三者占据了所有半导体存储器规模的95%左右,尤其是前两者,占总规模约9成,市场规模均在数百亿美元。
存储器领域的基本类型来源:维基百科,长江证券研究所
其中DRAM 2018年的市场规模已达到1000亿美元,根据IC Insights最新预测,预计到2026年全球DRAM市场规模有望达到1219亿美元左右。NOR Flash全球市场规模约30亿美元,相对DRAM和NAND来说,NOR市场要小的多,分散程度也更大。
半导体存储器是一个高度垄断的市场,DRAM和NAND Flash全球市场基本被前三大公司占据,且近年来垄断程度逐步加剧。根据中国闪存市场的数据,2020年,DRAM市场95%的份额被三星、SK海力士和美光占据,而三星、铠侠、西部数据、美光、SK海力士、英特尔则占据了NAND市场约99%的市场份额。
具体看这三大存储器,他们各有不同:
DRAM数据易失,容量小。尽管DRAM各项性能都很优秀——纳秒级别的延迟,数十GB/S的带宽,接近于“长生不老”的寿命;然而它是易失性存储器,即断电后数据会丢失,而且,其成本比闪存高,容量也较小。
NAND Flash延迟长,寿命短,平面微缩已到极限。其每次写入数据时需要施加高压,让电子突破晶体管的氧化膜进入浮动栅极,这一过程会对氧化膜造成不可逆的损害,性能最好的SLC NAND,读写次数也只有10万次左右,而差一些的MLC,TLC的读写寿命均以千次为量级。
NOR Flash特点是芯片内执行(XIP,Execute In Place),即应用程序不必再把代码读到系统RAM中,而是可以直接在Flash闪存内运行。NOR Flash的优点是应用程序可以直接在Flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中,故其传输效率很高,读取速度快,在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益,主要被用来存储程序。然而NOR的器件结构要求其在进行擦除前先要将所有的位都写入0,这就使得其擦除速度很低,同时由于闪存在写入数据之前,均要求进行擦除,故这也会影响到NOR的写入速度。
综上所述,这三类主流存储器都存在各自的优缺点,并且随着技术的发展,他们的缺点也在被逐渐放大。
现有存储技术面临巨大挑战
须知小存储单元尺寸 (Cell Size)、高性能 (Performance)以及低功耗 (Power Consumption)一直是存储器业者持续追求的目标。
当半导体制程走到14nm以下,半导体工艺迁移到 Fin-FET (Fin Field-Effect Transistor,鳍式场效应晶体管)后,该技术无法直接套用在既有的一些嵌入式存储元件上。再者,未来人工智能 (AI)及边缘计算 (Edge Computing)等等高计算能力的需求使得现存高容量存储器,如 DRAM、NAND闪存的高耗电及速度问题已无法跟上需求的脚步。
存储器密度不断提高,基本原件尺寸在不断缩小,CPU对存储器容量需求不断增加,这些问题在未来将会越来越严重。
半导体的核心是摩尔定律,简单讲就是通过把单位元器件做的越来越小,从而提高单位晶圆上的存储密度和功能。现有存储技术(DRAM和Flash)都面临同样的问题,半导体工艺缩微化不能继续缩小。
与此同时,存储器消耗太多电力。物联网 (IoT)和移动装置使用电池电力运行,其存储器必须谨慎选择,因为它们消耗大部分的电池电力,降低了电池使用时间。
下一代移动架构将为人工智能及边缘计算导入更高的计算能力需求,同时要求更低的功耗以满足消费者的期望以及在严峻的市场竞争中获胜。当然这些必须以低成本实现,而这就是现有存储器技术的挑战。
总结而言,现有存储器具有内外存性能不匹配、内存不具备非易失性、外存微缩难度大等问题,因此新型存储开始受到广泛关注。有业内人士指出,新的存储技术必将取代现有存储技术,这是历史发展的必然趋势。
新型存储能解决什么问题?
目前,流行的新型存储技术主要有MRAM、ReRAM、PRAM以及FeRAM。
PCM(Phase Change RAM):相变随机存储器,此类存储器利用材料晶态和非晶态之间转化后导电性的差异来存储信息,过程主要可以分为SET和RESET两步。
FRAM(Ferromagnetic RAM):铁电存储器,结构与DRAM大致相同,基本单元由一个MOS管和电容组成,但DRAM电容的电介质材料断电后无法继续存储电荷,FRAM则使用断电后电荷不会丢失的铁电晶体作为电介质,当在平面电容中加电压时,铁电晶体在电场作用下会形成极化电荷,正向电压下所形成的极化电荷较低,反向电压下所形成的极化电荷较高,这种二元稳定状态使其可以作为存储器。
MRAM(Magnetic RAM):磁性随机存储器,它靠磁场极化而非电荷来存储数据。
ReRAM(Resistive RandomAccess Memory):阻变式存储器,典型的RRAM由两个金属电极夹一个薄介电层组成,介电层作为离子传输和存储介质。
这些新型存储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,甚至有可能为未来存储器内计算 (In-Memory Compute)的开发提供支撑。
新型存储技术的出现,使得各个因素造成现今使用之存储器的功耗问题将不复存在。此外,这些新型的存储器都是非易失性的,所以不需要刷新它们。
与 DRAM相比,可以自动降低 20%的功耗。由于它们都可以在不擦除的情况下覆盖旧数据,因此可以节省闪存所需的高擦除能耗,以及慢擦除周期引起的延迟 (该属性称为原位编程 (In-Situ Programming))。
与闪存相比,这些新技术的写入过程能量要求非常低,减少或消除了对低效电荷泵的需求。最后,所有这些新技术都提供随机数据访问,减少了保留两个副本—一个在闪存,一个在 DRAM—的需求。
因此使用新型存储器技术来取代当今的传统 DRAM + NAND闪存架构,将带来显著的的功率节省以及性能提升。
了不起的PCM
当前的新型存储均处于起步阶段,其中PCM(Phase Change Memory)技术发展最成熟,是唯一一个有大容量,大规模量产的技术。
PCM(Phase Change Memory)即相变存储器,也有人称之为 PRAM (Phase-change RAM),已经研究了几十年,Intel联合创始人 Gordon Moore早在 1970年就发表了一篇描述早期原型的论文。相变存储器通过热能的转变,让相变材料在低电阻结晶 (导电)状态与高电阻非结晶 (非导电)状态间转换。
PCM速度慢于 DRAM,但比 Flash快近 1000倍;PCM存储密度高于 DRAM,但是比Flash要低。目前存储器运用过程中,DRAM和 Flash两者在整个系统中不匹配,需要新的存储器来构建整个架构,相变存储器优势很多,市场有很大的需求,很多公司在推产业化的进程。
三星 2008年基于 90nm工艺制备 512Mb相变存储器芯片;2011年基于 58nm工艺制备 1Gb相变存储器芯片;2012年基于 20nm工艺制备 8Gb相变存储器芯片;2014年发布相变存储器的产业报告。
美光 2009年基于 45nm工艺制备 1Gb相变存储器芯片;2011年发布第一款基于相变存储器的 SSD;2013年基于 45nm工艺 1Gb相变存储器芯片实现量产;2015年联合 Intel发布 3D Xpoint。
意法半导体 2009年联合恒亿共同发布 90nm工艺 4Mb嵌入式相变存储器芯片;2010年,发布了通过材料改性工程 N-GeTe实现更好的热稳定性及数据保持;2013年,发布了通过材料改性工程 N-Ge-GST实现 SET与高低组保持的性能平衡。
IBM 2011年发布了多值的相变存储器操作算法,然后推出了基于 MIEC材料选通的多层 crosspoint存储器。2014年IBM发布了6位多值存储电阻漂移的算法解决办法,2016年发布多值相变存储器,进入 90nm工艺。国际其他产家,包括英特尔、台积电等都有在其中做过相关工作。
我国新型存储产业化能力及知识产权布局尚在起步阶段,相变存储器和阻变存储器的专利从2000年左右开始逐渐增加,磁变存储器更是从1990年就开始有专利申请。
从2002年起,中科院上海微系统所就开始攻关下一代新型相变存储器,并承接我国“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”等相关任务。2011年,中科院上海微系统所、中芯国际、微芯等企业组建百余人产学研团队,成功研发出拥有自主技术的相变存储器,随后进一步向工程化领域发展。
值得注意的是一家国产厂商——江苏时代芯存半导体(以下简称“时代芯存”),也在进行PCM的研发,其研发时间已超过10年,是国内现在唯一一家PCM真正形成生产能力的半导体公司,时代芯存也是第四代存储器领域全球屈指可数具备自主研发和生产能力的半导体企业。
据悉,目前该公司产品已经量产,正在进行良率爬坡,工程样品已经通过多家客户测试。根据介绍显示,一期产品主要生产市场通用的EEPROM和Nor Flash,二期产品则主要生产永久内存及高性能闪存。
资料显示,江苏淮安PCM生产项目总投资130亿元,一期投资43亿元,于2016年9月28日落户国家级淮安高新技术产业开发区,用时9个月实现厂房封顶,3月22日首台设备进厂。项目全面建成后将达到年产10万片12英寸相变存储器的产能,年可实现销售45亿元,目前该项目一期已具备年产6万片的生产线。从2016年9月落户淮安以来,时代芯存保持了相当快的项目推进速度。
目前我国PCM技术发展与国际巨头尚有一些距离,更应当以市场为导向,以产业为主体,结合已有研发团队,快速推进新型存储产业化。同时避免盲目上规模。当然也要注意产业上下游协同发展。鼓励整机、CPU、存储企业主体联合参与,推动新型存储产业链快速成型。
总结
如今,存储市场被三星、SK海力士、美光等存储巨头垄断。国产厂商想要进入该市场难上加难。但新型存储产业尚未成熟,机遇大于挑战。产业格局上,相对于传统的DRAM和NAND Flash,新型存储尚未形成行业垄断,产品路线也不够明朗,
我国在这一领域具有换道超车的可能。技术上,未来存储技术路线尚不明确,存在技术追赶甚至反超的机遇。市场上,随着我国在5G、人工智能等新兴领域的快速发展,存储需求呈现爆发式增长,有足够广阔的新型存储潜在市场。
在时代芯存这类发展如PCM这样新型存储的厂商以及长江存储、紫光以及合肥长鑫等发展DRAM、NAND Flash等主流存储的厂商共同努力下,定能以星星之火掀起燎原之势。
