隨著北京時代全芯(AMT)相變存儲(PCM)產(chǎn)品在其江蘇工廠——江蘇時代芯存半導(dǎo)體有限公司(AMS)量產(chǎn)，國產(chǎn)存儲又添一員猛將。5G、AI、IoT等技術(shù)帶來消費(fèi)電子和大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，市場對存儲的需求將越發(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年全球存儲器收入增加135億美元，占2020年整個半導(dǎo)體市場收入增長的44%。

存儲器市場概覽

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

存儲器領(lǐng)域的基本類型 來源：維基百科, 長江證券研究所

其中，DRAM 2018年的市場規(guī)模已達(dá)到1000億美元，根據(jù)IC Insights最新預(yù)測,預(yù)計到2026年全球DRAM市場規(guī)模有望達(dá)到1219億美元左右。相對DRAM和NAND來說，NOR Flash的市場要小的多，全球規(guī)模約30億美元，分散程度也更大。

半導(dǎo)體存儲器是一個高度壟斷的市場，DRAM和NAND Flash基本被前三大公司包攬，且近年來壟斷程度逐步加劇。根據(jù)中國閃存市場的數(shù)據(jù)顯示，2020年，DRAM市場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市場約99%的份額。

具體看這三大存儲器，他們各有不同：

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

NAND Flash延遲長，壽命短，平面微縮已到極限。其每次寫入數(shù)據(jù)時需要施加高壓，讓電子突破晶體管的氧化膜進(jìn)入浮動?xùn)艠O，這一過程會對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10萬次左右，而差一些的MLC、TLC的讀寫壽命均以千次為量級。

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，而是直接在Flash閃存內(nèi)運(yùn)行，故其傳輸效率很高，讀取速度快，在1~4MB的小容量時具有很高的成本效益，主要被用來存儲程序。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，故這也會影響到NOR的寫入速度。

綜上所述，這三類主流存儲器都存在各自的優(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)有存儲技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)

小存儲單元尺寸 (Cell Size)、高性能 (Performance) 以及低功耗 (Power Consumption) 一直是存儲器業(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，鰭式場效應(yīng)晶體管)后，該技術(shù)無法直接套用在既有的一些嵌入式存儲元件上。再者，未來人工智能 (AI) 及邊緣計算 (Edge Computing) 等高計算能力的需求使得現(xiàn)存高容量存儲器，如 DRAM、NAND 閃存的高耗電及速度問題已無法跟上需求的腳步。

存儲器密度不斷提高，基本原件尺寸在不斷縮小，CPU對存儲器容量需求不斷增加，這些問題在未來將會越來越嚴(yán)重。

半導(dǎo)體的核心是摩爾定律，簡單講就是通過把單位元器件做的越來越小，來提高單位晶圓上的存儲密度和功能。現(xiàn)有存儲技術(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，存儲器消耗太多電力。物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和移動裝置使用電池電力運(yùn)行，其存儲器必須謹(jǐn)慎選擇，因為它們消耗大部分的電池電力，降低了電池使用時間。

下一代移動架構(gòu)將為人工智能及邊緣計算導(dǎo)入更高的計算能力需求，同時要求更低的功耗以滿足消費(fèi)者的期望以及在嚴(yán)峻的市場競爭中獲勝。當(dāng)然這些必須以低成本實現(xiàn)，而這就是現(xiàn)有存儲器技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

總結(jié)而言，現(xiàn)有存儲器具有內(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，因此新型存儲開始受到廣泛關(guān)注。有業(yè)內(nèi)人士指出，新的存儲技術(shù)必將取代現(xiàn)有存儲技術(shù)，這是歷史發(fā)展的必然趨勢。

新型存儲能解決什么問題?

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

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

FRAM(Ferromagnetic RAM)：鐵電存儲器，結(jié)構(gòu)與DRAM大致相同，基本單元由一個MOS管和電容組成，但DRAM電容的電介質(zhì)材料斷電后無法繼續(xù)存儲電荷，F(xiàn)RAM則使用斷電后電荷不會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，鐵電晶體在電場作用下會形成極化電荷，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)使其可以作為存儲器。

MRAM(Magnetic RAM)：磁性隨機(jī)存儲器，它靠磁場極化而非電荷來存儲數(shù)據(jù)。

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

這些新型存儲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、更低的成本和功耗，甚至有可能為未來存儲器內(nèi)計算 (In-Memory Compute)的開發(fā)提供支撐。

新型存儲技術(shù)的出現(xiàn)，能解決當(dāng)下主流存儲器的功耗問題。此外，這些新型的存儲器都是非易失性的，所以不需要刷新它們。

與 DRAM 相比，新型存儲技術(shù)可以自動降低 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)的寫入過程能量要求非常低，減少或消除了對低效電荷泵的需求。最后，所有這些新技術(shù)都提供隨機(jī)數(shù)據(jù)訪問，減少了保留兩個副本——一個在閃存，一個在 DRAM——的需求。

因此使用新型存儲器技術(shù)來取代當(dāng)今的傳統(tǒng) DRAM + NAND 閃存架構(gòu)，將帶來顯著的的功率節(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，是唯一一個有大容量，大規(guī)模量產(chǎn)的技術(shù)。

PCM(Phase Change Memory)即相變存儲器，也有人稱之為 PRAM (Phase-change RAM)，該項技術(shù)已經(jīng)有幾十年的研究歷史，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：相變存儲器通過熱能的轉(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 存儲密度高于 DRAM，但是比Flash 要低。目前存儲器運(yùn)用過程中，DRAM 和 Flash 兩者在整個系統(tǒng)中不匹配，需要新的存儲器來構(gòu)建整個架構(gòu)，相變存儲器優(yōu)勢很多，市場有很大的需求，很多公司在推動其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

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

美光 2009 年基于 45nm 工藝制備 1Gb 相變存儲器芯片;2011 年發(fā)布第一款基于相變存儲器 的 SSD;2013 年基于 45nm 工藝 1Gb 相變存儲器芯片實現(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 嵌入式相變存儲器芯片;2010 年，發(fā)布了《通過材料改性工程 N-GeTe 實現(xiàn)更好的熱穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)保持》;2013 年，發(fā)布了《通過材料改性工程 N-Ge-GST 實現(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器操作算法，然后推出了基于 MIEC 材料選通的多層 crosspoint 存儲器。2014 年IBM 發(fā)布了6 位多值存儲電阻漂移的算法解決辦法，2016 年發(fā)布多值相變存儲器，進(jìn)入 90nm工藝。國際其他產(chǎn)家，包括英特爾、臺積電等都有在其中做過相關(guān)工作。

我國新型存儲產(chǎn)業(yè)化能力及知識產(chǎn)權(quán)布局尚在起步階段，相變存儲器和阻變存儲器的專利從2000年左右開始逐漸增加，磁變存儲器相對更早，1990年開始有專利申請。

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器，并承接我國“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”、“973計劃”等相關(guān)任務(wù)。2011年，中科院上海微系統(tǒng)所、中芯國際、微芯等企業(yè)組建百余人產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊，成功研發(fā)出擁有自主技術(shù)的相變存儲器，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產(chǎn)廠商——北京時代全芯存儲技術(shù)股份有限公司(以下簡稱“時代全芯”)，也在進(jìn)行PCM的研發(fā)，其研發(fā)時間已超過10年，是國內(nèi)現(xiàn)在唯一一家真正形成了PCM生產(chǎn)能力的半導(dǎo)體公司，也是第四代存儲器領(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)由時代全芯(AMT)在淮安設(shè)立的工廠——江蘇時代芯存半導(dǎo)體有限公司(AMS)量產(chǎn)，正在進(jìn)行良率爬坡，工程樣品已經(jīng)通過多家客戶測試。根據(jù)介紹顯示，一期產(chǎn)品主要生產(chǎn)市場通用的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，江蘇時代芯存PCM生產(chǎn)項目總投資130億元，一期投資43億元，于2016年9月28日落戶國家級淮安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，用時9個月實現(xiàn)廠房封頂，3月22日首臺設(shè)備進(jìn)廠。項目全面建成后將達(dá)到年產(chǎn)10萬片12英寸相變存儲器的產(chǎn)能，年可實現(xiàn)銷售45億元，目前該項目一期已具備年產(chǎn)6萬片的生產(chǎn)線。從2016年9月落戶淮安以來，時代芯存保持了相當(dāng)快的項目推進(jìn)速度。目前我國PCM技術(shù)發(fā)展與國際巨頭尚有一些距離，更應(yīng)當(dāng)以市場為導(dǎo)向，以產(chǎn)業(yè)為主體，結(jié)合已有研發(fā)團(tuán)隊，快速推進(jìn)新型存儲產(chǎn)業(yè)化。同時避免盲目上規(guī)模。當(dāng)然也要注意產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同發(fā)展。鼓勵整機(jī)、CPU、存儲企業(yè)主體聯(lián)合參與，推動新型存儲產(chǎn)業(yè)鏈快速成型。

總結(jié)

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

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

在時代全芯這類發(fā)展如PCM這樣新型存儲的廠商以及長江存儲、紫光以及合肥長鑫等發(fā)展DRAM、NAND Flash等主流存儲的廠商共同努力下，定能以星星之火掀起燎原之勢。(文章來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察)

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