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持续演进传统存储器,还是给新技术一个机会?

时间:2020-03-11 作者:刘于苇 阅读:
预计到2029年,新兴内存市场可望创造200亿美元的合并收入。其中,PCRAM由于价格低于DRAM,可望在2029年前成长至160亿美元的市场规模。同时,独立型MRAM和STT-MRAM(基于自旋转移力矩的MRAM)的收入将接近40亿美元,或超过2018年MRAM收入的170倍。 面对这样的诱惑,各路厂商是如何抉择的——在传统存储器上持续演进,还是给新技术一个改朝换代的机会?
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存储产业有着周期性的波动,每当技术处于升级期时,就会出现价格上升;而技术成熟让存储密度提升,并且大批量生产后,又会让整个市场因为供过于求价格下降。cZsEETC-电子工程专辑

可见,推动产业的是先进技术。但是人都不喜欢“改变”,无论半导体供应商还是OEM方案商,也许都更倾向于接受在既有产线和技术基础上的升级,而不是全面导入一种新技术。虽然目前传统存储器在3D工艺加持下尺寸更小、密度更大,性能得到很大提升,但新兴内存技术无论是作为独立芯片还是被嵌入于ASIC、微控制器(MCU)和运算处理器中,都有可能变得比现有的内存技术更具竞争力。cZsEETC-电子工程专辑

预计到2029年,新兴内存市场可望创造200亿美元的合并收入。其中,PCRAM由于价格低于DRAM,可望在2029年前成长至160亿美元的市场规模。同时,独立型MRAM和STT-MRAM(基于自旋转移力矩的MRAM)的收入将接近40亿美元,或超过2018年MRAM收入的170倍。cZsEETC-电子工程专辑

面对这样的诱惑,各路厂商是如何抉择的——在传统存储器上持续演进,还是给新技术一个改朝换代的机会?cZsEETC-电子工程专辑

新应用对存储提出新需求

随着5G的逐步商用,汽车电子化以及人工智能物联网(AIoT)应用的大量普及,大部分新兴领域的传统存储器和存储架构已不能满足需求,存储产业需要在技术和模式上进行创新,才能跟上这样的趋势。cZsEETC-电子工程专辑

在上述的场景中,主要可分为两个大分类,一个是大量部署的传感终端,一个是需要实时响应的智能终端。华邦电子闪存产品企划处副处长陈苇霖认为,具体细分市场不同,对存储器的性能需求也不一样。对于大量部署的智能设备,成本与功耗是否够低将是关键;而需要一定计算能力的边缘设备,则需要具备高速读取写入接口/能力的存储器,才能满足其对于系统性能的要求。cZsEETC-电子工程专辑

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存储行业的专业人士从几个主流市场的例子,发表了各自的看法。cZsEETC-电子工程专辑

矽成半导体(ISSI)技术市场副总监田步严认为,5G元器件市场主流DDR4的需求将超过DDR3,此外对大容量SPI NOR Flash需求快速增长,并行NOR Flash份额在逐渐减少。汽车电子中的智能座舱应用,也对存储器提出了大容量、高带宽、高速率的要求,从LPDDR4/LPDDR4X逐步过渡到LPDDR5,同时eMMC需求也增长很快,未来在自动驾驶中还需要存储器具有低延时、低功耗和自动纠错(内置ECC)等特性。AI应用方面则要求高带宽、高速度,目前Arm based解决方案以双通道LPDDR4/4X为主,部分FPGA和x86架构以DDR4模组为主。cZsEETC-电子工程专辑

东芯半导体副总经理陈磊表示,大容量是所有存储器发展的趋势,特别是5G宏基站对大容量NOR Flash的需求。传统的消费类的NOR以中低容量为主,集中在128Mb以下,但是基站对NOR的需求是512Mb、1Gb甚至2Gb。低功耗的要求主要体现在穿戴式的物联网(IoT)产品上,这类产品的特点是都以电池来驱动系统工作,使用的主要存储器包括NOR Flash和低功耗DRAM。cZsEETC-电子工程专辑

“至于小封装,在AIoT等‘雾端’物联网设备上表现明显,以真无线(TWS)耳机为代表,这类产品本身的内部空间非常狭小。” 陈磊说到,“所以在这些应用领域,我们不仅要提供晶圆级的封测产品,有的厂商更提出要提供SiP(System In Package, 系统级封装)级晶圆产品。”cZsEETC-电子工程专辑

从硬件上来说,实现汽车的智能化需要更多的环境感知,兆易创新Flash BU资深产品市场总监陈晖表示,随着传感器和更多MCU集成到系统中,汽车电子各功能单元的数据都需要更高性能的闪存;从软件上来说,随着更多软件的集成,代码量逐渐增加,直接导致闪存的容量需求越来越大。cZsEETC-电子工程专辑

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其次是实时响应,对于高性能IoT应用,由于受到系统成本、功耗和尺寸的限制,通常会考虑减小或者去除DRAM,主芯片可以从闪存直接运行代码,即XiP(eXecute-In-Place,芯片内执行), 采用这种运行方式的闪存, 能够大幅度缩短固定字节数据的读取时间,减少主芯片的等待时间,从而提高主芯片的效率。cZsEETC-电子工程专辑

可靠性和安全性也是这些应用重点关注的问题。陈晖认为,对闪存而言,需要保证20年内的数据保持和10万次以上的擦写次数。而安全性方面,相对于SoC(系统级芯片),闪存用于存储众多关键系统代码、应用代码以及驱动程序,当应用和设备遭到攻击时,闪存更容易被当作攻击的第一目标,存储器厂商要与主芯片厂商紧密配合,才能将闪存与SoC进行安全性绑定,提升整体系统的安全性能。cZsEETC-电子工程专辑

站在主控芯片的角度看

随着3D NAND Flash层数越来越高,所衍生的相互干扰与数据潜在错误率,NAND Flash主控芯片这时候也需要与时俱进。“我们在闪存控制芯片中加入了专利AI算法,加强ECC的修正能力。”衡宇科技营销专案副总胡家铭表示,这能让用户在享用越来越高容量的同时提升数据安全性。他介绍到,主控芯片中的错误更正模块,历经从BCH(Bose、Ray-Chaudhuri、Hocquenghem)码发展到LDPC(Low Density-Parity Check)码的发展过程,数据流设计从单纯的硬译码,进步到含有NAND信道状态参数的软译码。cZsEETC-电子工程专辑

“我们的重点在于调适NAND通道搭配设定环境状态参数值,结合自我适应AI的动态算法,选择最佳的参数设定。” 胡家铭说到,NAND通道状态参数的质量会影响LDPC的译码能力与容错率,NAND的状态分布随着时间,温度环境,跟使用次数会一直改变并且寿命会衰减,NAND通道状态参数跟NAND的读写操作状态息息相关。运用自适应AI技术,可以透过训练来辨识NAND的状态并且加以预测当下NAND通道的状态参数,达到最大量化信息并提升LDPC的随机错误保护能力,有效延长NAND使用寿命。cZsEETC-电子工程专辑

5G除了速度增快以外,带宽也增大,另外也带动了AIoT应用中最重要的边缘计算(Edge computing)。慧荣科技(Silicon Motion)市场营销暨研发资深副总Nelson S. Duann分析到,边缘计算会带来大量的数据需求,再加上内部计算需要快速的数据分析及存取,故“存储设备原先最常使用的SATA III接口已经渐渐无法满足5G x AIoT的需求,而取而代之的是PCIe接口。从Gen3 x2、x4再到更快速的Gen4 x2、x4,都已经达到亦或是超出5G目前所需要的速度。”另外在5G x AIoT的网络世界里,安全更是其中最重要的一环,“不仅仅要提供数据在内部传输的端到端加密,还要在数据保护上提供AES, OPAL等加密标准,才能使得固态硬盘(SSD)在5G和AIoT等技术的快速演进下跟上脚步。”他说到。cZsEETC-电子工程专辑

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而在汽车电子化的演进下,越来越多的电子技术也在车上逐渐实现,先进驾驶辅助系统(ADAS)、自动驾驶等技术对于存储设备的速度以及稳定性有了更高要求,并且为了降低震动的风险,基本上都使用嵌入式的SSD作为存储设备。Nelson S. Duann表示:“需要有各种规格的车载SSD来满足不同的需求,除了eMMC、SATA、PCIe以外,目前最新的UFS也已经准备好要用于车载领域。”cZsEETC-电子工程专辑

DRAM和NAND不断演进

作为存储芯片行业的两大驱动力,DRAM和NAND技术都在不断演进。随着美光量产首批LPDDR5芯片, LPDDR5和UFS3.0将成为5G手机标配,也只有他们能满足5G手机对存储读写速度和功耗的要求。cZsEETC-电子工程专辑

作为为数不多能够同时提供DRAM和NAND的中国公司,陈磊表示,东芯半导体现在可以提供的DRAM产品主要是DDR3和LPDDR2规格,在NAND产品上以 SLC NAND为主。但他同时强调,也在积极研发DDR4和低功耗的LPDDR4产品,以及更高容量的MLC NAND。cZsEETC-电子工程专辑

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在陈磊看来,将来DRAM的发展趋势有两个,“一个是高带宽,包括采用TSV的HBM、 HBM2或者HMC;另一个是低延迟的RLDRAM。”在NAND Flash上,目前国际主流工艺都已经是3D NAND,包括三星、海力士、美光和东芝等基本都进入了96层的3D NAND。TLC 3D NAND工艺已经成熟,也已经看到QLC的3D NAND在固态硬盘上使用。cZsEETC-电子工程专辑

目前控制器IC在工艺也已进入1x nm节点,衡宇科技表示对未来UFS市场持正面看法,而同时eMMC市场也会持续应用在其他嵌入式产品上,与UFS并存。一个是高速/高容量的应用领域,一个是低耗电/低容量的应用领域。对于QLC/PLC这类存储技术, 胡家铭认为初期还不会用在嵌入式产品上, 而是会以其可插拔的Flash产品特性为主要应用市场, 例如uSD/SSD/USB, 技术更成熟后才会进入嵌入式产品。cZsEETC-电子工程专辑

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从工艺结构上看,NAND Flash的3D堆栈的层数已经从32层来到92或96层,即使128层或更多堆栈层数也都已经在NAND厂商的技术蓝图上;从速度上看,3D NAND接口的速度已经从800 Mbps提升到1600 Mbps,接下来就上看2000 Mbps以上。为了应对3D NAND的工艺转换和速度提升,“内存控制器会预先规划来支持各家最新NAND接口的速度,同时也将满足低功耗、高性能的要求。” Nelson S. Duann说到,“以移动存储应用的UFS为例,就非常需要高性能、低功耗及如何管理3D NAND让整个存储产品寿命延长。”cZsEETC-电子工程专辑

LDPC电路对于3D NAND ECC的纠错更正是必备,RAID是另一个管理NAND的利器,各家3D NAND都有稍许不同的要求。Nelson S. Duann表示:“我们会针对不同产品属性搭配最合适的LDPC,兼顾性能、功耗与产品可靠度。控制器也有优化的RAID设计来提升存储产品寿命。”cZsEETC-电子工程专辑

阻碍新型存储技术的因素

一些新兴存储技术,如MRAM、STT-MRAM、PCRAM、ReRAM、FRAM等被提出来已经几十年,仍在等待合适的时机爆发。据Objective Analysis和Coughlin Associates发布的最新年度报告《Emerging Memories Ramp Up》显示,MRAM、PCRAM和ReRAM已经发展到了一个关键期,并且已经开始取代SoC中的大部份嵌入式NOR Flash、SRAM,甚至是DRAM。cZsEETC-电子工程专辑

应用材料公司(Applied Materials)金属沉积产品事业部全球产品经理周春明博士在接受《电子工程专辑》采访时曾表示,这些新型存储器既能够提供更多工具来增强近存储器计算(Near Memory Compute),也是下一阶段存储器内计算 (In-Memory Compute)的建构模组。cZsEETC-电子工程专辑

(图片来源:应用材料公司)cZsEETC-电子工程专辑

然而,阻碍他们的最大因素或许还是成本。cZsEETC-电子工程专辑

存储器是一个成本驱动的行业,在存储器技术选择中,较昂贵的技术通常被低成本的技术所取代。陈晖表示,存储器的容量和单元大小决定了存储器的单元成本,容量越大,存储单元越小,单元成本就越低。与此同时,要取代现有技术,需要找到其关键的市场应用,这也是对新型存储器的重要挑战之一。cZsEETC-电子工程专辑

在所有不断涌现的新型存储器中,MRAM最有可能被广泛采用,然而这既取决于制造工艺的进步,也取决于支持分立和嵌入式MRAM器件技术的生态系统的改善。举例来说,第一代MRAM(Toggle MRAM)具有非易失性,高可靠性,快速读写的特性,可以有效抵抗高辐射以及高温环境,Toggle MRAM的主要缺点是功耗相对高,尺寸比较大,受限于集成度和成本,应用市场主要集中在军工,航天,车载,医疗等领域。cZsEETC-电子工程专辑

而新一代的MRAM技术——STT-MRAM,得益于其在功耗、持久和耐用上的优异性能,受到行业的广泛关注,目前主要应用在企业级存储,包括SSD buffer,RAID buffer等。cZsEETC-电子工程专辑

FRAM方面,“由于尺寸延展性和高成本的瓶颈,基于PZT的FRAM发展受到限制,基于HfO2(二氧化铪)的新型FRAM技术受到业界的关注,但尚处于早期研发阶段。” 陈晖说到,据WebFeet Research研究数据表明,FRAM 2018年全球市场规模约1.3亿美元。cZsEETC-电子工程专辑

汉萨科技(Hexas)股份有限公司首席执行官王振志认为,新型存储器首先要解决的问题是薄膜的接口电性与材料物理特性,而且须与主流技术如DRAM搭配,才能在容量密度、操作速度和信赖度上匹配现有的内存规格与条件,在容量密度、量产化和替换弹性度上占有先机。cZsEETC-电子工程专辑

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避开正面战场,找到新兴应用

陈苇霖认为,目前Flash存储器与DRAM保持大量稳定生产,产品质量也非常高,而且也因为产品特性而衍生出相关硬件与软件相互支持的生态系统。“因此在既有应用下,新兴存储技术要挑战目前广泛使用的Flash存储器与DRAM十分的困难。”cZsEETC-电子工程专辑

但是他补充道,新兴存储器的价值较容易在现有产品无法使用的特殊场景中被重视,如高环境温度、极低功耗需求。然而特殊应用场景意味着需求稀少,如何找到可以爆炸性成长的特殊杀手级应用十分重要。借着早期少量多样的需求,逐步完备新兴存储器的质量同时,降低生产成本是最大的挑战。cZsEETC-电子工程专辑

田步严和陈磊也持相同观点,就是新型的非易失性产品短期内不会取代传统的易失性存储器。因为从成本来说,这类新品单比特的价格依旧偏高,在存储密度也还远不及今天的3D NAND和DRAM。另外生态不够健全,工艺演进速度也偏慢,现在都是在替代嵌入式的eFlash和SRAM市场。只有等容量达到今天NAND的水平,且成本大幅下降,才有可能替换现在的SPI NOR、NAND和DRAM。cZsEETC-电子工程专辑

图:DRAM、NAND和3D XPoint技术的性能对比。cZsEETC-电子工程专辑

对于独立的存储器市场来说,研发和推广新产品成本很高,对于已有成熟存储产品的市场,取代趋势不易,所以新型存储器往往向新兴应用市场发力。cZsEETC-电子工程专辑

拿DRAM 和 3D NAND Flash 来说, DRAM 已经来到 1Y~1Z nm 的 SGT 垂直晶体管结构, 而 3D NAND Flash 是 1X 的 GAA (Gate-all-around, 环绕栅极)垂直内存结构, 从创新角度上已经到了节点技术的极限,“‘新结构’的创新才是解决此问题的最佳方向,” 王振志介绍到,“汉萨科技研发的 FanFET 架构将从晶体管组件、工艺流程以及容量密度方面实现这一点。”cZsEETC-电子工程专辑

田步严认为从整体上替换虽然很难,但在某些特定应用场景可以推广,比如电表用的FRAM,服务器用的MRAM或者NVSRAM,边缘计算用的MRAM、STT-MRAM等。cZsEETC-电子工程专辑

据公开资料,基于PZT材料的FRAM可读写次数已经达到1015,功耗低,速度快,将来可用于实现如人脑中的复杂神经网络,进行正确且有效率的AI运算。还可以应用在车载和工业界的数据记录设备,物流跟踪系统,环境监测控制等。cZsEETC-电子工程专辑

相较于传统的NAND闪存,PCRAM或ReRAM有望实现和编辑多个电阻率中间形态,以便在每单个存储器单元中存储多位数据,存储级存储器更可提供超过10倍以上的存取速度,更适合在云端对资料进行存储。芯天下技术有限公司创始人,首席执行官龙冬庆认为,基于ReRAM的存算一体类脑芯片,只要产品能成熟量产,就可以能很好地满足AI应用对存储的新需求。cZsEETC-电子工程专辑

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“ReRAM具有低功耗,高密度的特点,” 陈晖表示,通过利用欧姆定律和基尔霍夫定律,可以在ReRAM阵列内完成矩阵乘法,无需将权重移入或移出芯片,而多级单元架构有望将存储密度提到一个新的水平。目前,业界均将ReRAM视作未来内存计算架构的首选产品,在这一架构中,计算元件将集成到存储器阵列中,协助克服与AI计算相关的数据传输瓶颈。cZsEETC-电子工程专辑

同时,也要看这些特定市场能否接受高溢价特性,“如果能接受,那么新型存储器就有被采用的机会, 但另一先决条件是稳定度和兼容性。”胡家铭说到,“新型存储器若使用或量产比率偏低, 没有其它亮点的情况下要取代成熟存储产品, 绝非易事。”cZsEETC-电子工程专辑

取代不易,见缝插针

DRAM和NAND的中间地带,常被厂商们视作存储产品的创新目标。目前包括3D XPoint、Optane、Z-NAND、XL-Flash以及新型存储介质为代表的产品都在瞄准这一领域,这类产品的特征是具有比NAND更高的性能和耐久性,比DRAM更大的容量和持久性。cZsEETC-电子工程专辑

虽然新型存储器来势汹汹,但业内人士均认为,赢这一领域的关键看原厂投入多少研发资本。因为可持续微缩的特性与可快速巨量生产的技术是成功的关键,其中,可持续微缩意味着成本下降的可能性,可快速巨量生产代表着可靠度与取代性。既然市场定位是填补DRAM和NAND之间的市场空白,那么它们的售价必须比DRAM更便宜,才能在商业市场上实现全面取代。cZsEETC-电子工程专辑

有了高性价比,意味着能够在和3D NAND同一容量范围内,提供相近成本的产品。“这方面3D XPoint还是有一些差距,主要还是价格相比3D NAND不具备替换优势。三星的Z-NAND和东芝的XL-Flash还是主要以低延迟为卖点,目前在SCM市场上使用成本还是太贵。”陈磊说到。cZsEETC-电子工程专辑

胡家铭也认为这个中间领域看重低延迟, 所以Z-NAND 会回归到SLC 的技术方向。“不论用算法,还是硬件技术,如何在此中间地带将速度高速提升, 同时保有Flash长久的生命周期是关键。”cZsEETC-电子工程专辑

同样面临被替换的还有NOR Flash。cZsEETC-电子工程专辑

道阻且长,徐徐蚕食

长久以来NOR Flash一直是存储固件代码的首选内存,但随着软件要求越来越严格,并占用更多的空间,NOR Flash的成本开始超过NAND,在28nm及更大范围内扩展嵌入式Flash也变得困难。尽管现在3D TLC NAND由于具有高密度而广受关注,但SLC由于能为需要较小密度和长寿命设备的嵌入式应用提供最佳耐用性和数据保留特性,得以长期存在,已经有厂商提出了用SPI SLC NAND或MRAM替代NOR Flash,比如“高容量(大于16MB)NOR Flash的使用场景,就已部分被SPI NAND取代,嵌入式MRAM则会对中低容量NOR Flash有所冲击。” 陈苇霖说到。cZsEETC-电子工程专辑

Forward Insights首席分析师Gregory Wong认为,NOR Flash使用的日益减少实际上可归咎于其无法扩展,以及适于需要1GB或更高容量的应用,这不但价格昂贵,而且并没有太多供应商可以选择。而支持SPI接口的NAND选项更可能适于机顶盒(STP)和电视等设备,因为这些设备日益变得更智能而且需要储存更多程序代码。cZsEETC-电子工程专辑

但NOR Flash也仍有其优势:速度够快,能够实现XiP作业。只要给它一个地址,就能以足够快的速度取回指令,因此实际上不必将“影子”(shadow)程序代码从NAND Flash传送至RAM。cZsEETC-电子工程专辑

田步严表示,目前这类替换只有少数聚焦在大容量SPI NOR Flash的案例,“确实SPI NAND单比特价格较NOR Flash便宜,但是NOR的可靠性是NAND无法替代的,所以这里主要看追求价格还是系统可靠性。同理1Gb的MRAM比1Gb NAND、1Gb NOR要贵的多,所以目前大规模替换还不现实。”他还举例说,之前有一个很热门的话题是NOR Flash替代EEPROM,可是到现在也没能全部实现。cZsEETC-电子工程专辑

根据调研机构Yole Développement 2018年的一项数据,数据存储(NAND)的市场规模约为600亿美金,代码运行(DRAM)市场规模约为1010亿美金,而代码存储市场(NOR Flash)规模约为26亿美金。“虽然市场体量远小于DRAM和NAND,但NOR Flash具有可随机存储、高可靠性和高速的读取速度,是代码存储的唯一选择。” 陈晖说到。cZsEETC-电子工程专辑

随着5G基站、人工智能、汽车电子的发展,这些应用需要有1Gb或更大容量的NOR Flash来进行代码存储, 相比于价格的敏感度,兆易创新认为安全性和高性能是更重要的考虑因素,所以NOR Flash还有进一步发展的机会,除了高性能应用之外,NOR Flash在消费类、物联网、可穿戴式等对功耗敏感应用中也占据了绝对市场。cZsEETC-电子工程专辑

这也是多位受访人的观点,NOR Flash对于消费市场上的芯片组选型还是具有吸引力,有着长尾市场。特别是在一些小型的嵌入式产品,比如许多IoT设备,以及基于RTOS的系统设备上,NOR Flash还是有高可靠性和价格优势等优点。最直接的例子就是TWS耳机以及内置指纹传感器的触控屏幕应用也都选用了序列NOR。因此,新兴存储器会持续拓展市场份额,然而持续成长的总体市场需求还是驱使NOR Flash保持成长。cZsEETC-电子工程专辑

同理,eFlash和SRAM虽然也有被MRAM替换的机会。相关研究指出,如果以嵌入式MRAM取代微控制器中的eFlash和SRAM,可节省高达90%的功耗;如果采用单一晶体管MRAM取代六个晶体管SRAM,则可实现更高的位元密度和更小的芯片尺寸,这些功率与面积成本优势将使MRAM成为边缘侧设备的有力竞争者。cZsEETC-电子工程专辑

但陈苇霖认为“他们同处于嵌入式存储器市场,唇齿相依。”以一般MCU来说,主流方案是eFlash搭配SRAM,中低端MCU未来可以籍由MRAM的导入来取代eFlash加SRAM,但是低端MCU的工艺需求尚未达到采用MRAM的甜蜜点。另一方面,对于Flash-less的MCU,以及多数采用外挂式Flash的SoC来说,SRAM容量的甜蜜点也随着工艺微缩而同步增加,在甜蜜点之下的SRAM还是相对有竞争优势。cZsEETC-电子工程专辑

如果从工艺升级角度,兆易创新、东芯等厂家都看好长期替代趋势。嵌入式存储业务以晶圆代工厂为主导,在40nm和更传统的工艺上,嵌入式NOR Flash还是不可替代的,但在28nm以下已失去成本优势,不太可能随着逻辑工艺的演进而继续微缩。当前各大晶圆代工厂纷纷用28nm工艺节点以下的新型存储器技术取代eFlash,例如MRAM和ReRAM,也有一些基于MRAM的SPI Flash产品面世,目标是替换EEPROM和低容量SPI NOR Flash。cZsEETC-电子工程专辑

先进工艺可续命,亦可推陈

晶圆代工厂不断提升的先进工艺用在DRAM和NAND上,很大程度上给了他们续命并不断演化的条件。摩尔定律虽然濒临界限,但各种3D技术给了传统存储器不断堆高的层数,续命的机会。cZsEETC-电子工程专辑

陈磊表示,从平面工艺来说,现在DRAM、NAND都已经遇到了瓶颈。各家平面DRAM的工艺技术节点基本到15nm左右为止,平面NAND也在15到17nm左右。“目前全球90%以上的NAND产能都已经是3D工艺了,未来也会出现3D DRAM。”cZsEETC-电子工程专辑

王振志表示,新材料和新结构是目前为各类内存产品续命的两大主轴。其中新材料已研发多年, 仍面临密度、信赖度与量产化的问题;而以 SGT 与 GAA 为主的晶胞结构会因节点技术的微缩而面临工艺整合的问题。虽然有些厂商提出的新型 GAA,可解决工艺整合与堆高层数的问题, 却因特征尺寸(Feature Size) 过大而牺牲了整体容量密度。cZsEETC-电子工程专辑

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王振志称,汉萨科技的 FanFET 晶体管结构方案可同时完成 DRAM、NOR Flash和 3D-NAND Flash cell array 架构,也符合工艺整合与堆高层数的要求, 这在提高芯片容量密度的前提下,也可将摩尔定律延续至1Y~1Z nm 以下。cZsEETC-电子工程专辑

FanFET 晶体管架构不仅可应用于逻辑与内存的设计和工艺, 还可展延摩尔定律。 (图片来源:汉萨科技)cZsEETC-电子工程专辑

相对传统存储器件需要不断开发新材料、新工艺和架构续命,新型存储产品采用的工艺本来就很新。所以他们想的,是如何更接地气。cZsEETC-电子工程专辑

MRAM是一种非常复杂的薄膜多层堆叠,由10多种不同材料和超过30层以上的薄膜与堆叠组成,部分薄膜层的厚度比人类的发丝还要薄500,000倍,相近于一颗原子的大小,如何控制这些薄膜层的厚度、沉积均匀性、介面品质等参数是关键所在。因为在原子层级,任何极小的缺陷都会影响装置效能,所以这些新型存储器要想实现大规模量产,必须在硅上沉积和整合新兴材料能力方面取得实质突破。cZsEETC-电子工程专辑

2018年底,英特尔(Intel)、三星(Samsung)、格芯(GLOBALFOUNDRIES)分别发布了嵌入式MRAM在逻辑芯片制造工艺上的新技术,一致认为从可扩展性、形状可调整以及磁可扩展性方面来看,STT-MRAM都是目前最佳的MRAM技术。cZsEETC-电子工程专辑

但是STT-MRAM无法处理纳秒级至亚纳秒级的运算,并且无法替换用于CPU缓存的SRAM。SOT-MRAM(自旋轨道转矩, Spin Orbit Torque)号称可以填补STT-MRAM的缺点。cZsEETC-电子工程专辑

2019年12月,日本东北大学国际综合电子技术研发中心主任远藤哲郎和电气通信研究所大野教授宣布开发出可实际运用的SOT,并且成功演示了SOT-MRAM单元的操作,意味着具有低功耗的高性能SOT-MRAM的实际应用已经成为现实。cZsEETC-电子工程专辑

同样在2019年12月,中国台湾工业技术研究院于美国举办的IEEE国际电子元件会议(International Electron Devices Meeting, IEDM)中发布了关于MRAM和FRAM的技术论文,称相较台积电、三星即将导入量产的STT-MRAM,SOT-MRAM具备更稳定、更快速存取数据的优势。cZsEETC-电子工程专辑

FRAM方面,现在一般采用钙钛矿(Perovskite)晶体作为材料,而钙钛矿晶体材料化学成分复杂、制作不易且内含的元素会干扰硅晶体管,因此提高了FRAM元件尺寸微缩难度与制造成本。工研院以易取得的二氧化铪锆铁电材料替代,保证可靠度的前提下,将元件由二维平面进一步推展至三维立体结构,展现出应用于28纳米以下嵌入式存储器的微缩潜力。另一篇FRAM论文中,工研院使用独特量子穿隧效应达到非挥发性储存的效果,通过二氧化铪锆铁电穿隧接面,可使用比现有存储器低上1000倍的极低电流运作,并达到50纳秒的快速存取效率与大于1000万次操作的耐久性。cZsEETC-电子工程专辑

与MRAM类似,作为高密度存储器应用的候选技术,PCRAM和ReRAM都具有结构堆叠,包含容易受薄膜成分和劣化衰退影响的多重元素材料。ReRAM采用工作原理类似保险丝的新材料制成,能够在数十亿个存储单元中选择性地形成细丝来表示数据。PCRAM与之不同,采用的是DVD光盘中常见的相变材料,通过将材料状态从非晶态更改为晶态对数据位进行编程。cZsEETC-电子工程专辑

ReRAM和PCRAM的结构与3D NAND存储器类似,同样呈3D结构排列,存储器制造商可以在更新换代过程中逐步增加层数,从而稳定地降低存储成本,并能够提供比NAND和机械硬盘更快的读取性能。cZsEETC-电子工程专辑

目前,Crossbar、铠侠、索尼、松下、美光、海力士、富士通等厂商都在开展ReRAM的研究和生产工作。在制造方面,中芯国际(SMIC)、台积电和联电(UMC)都已经将ReRAM纳入自己未来的发展线路图中。cZsEETC-电子工程专辑

中国厂商该做什么?

中国厂商正在积极布局存储器领域,同时中国本身也是存储器芯片消费大国。中国厂商正在力求抓住国产替代的机遇,晋升为存储器行业的主要玩家,但突破口在哪里?应该积极布局新型存储技术,还是发力DRAM和NAND这些市场需求极大,技术却已经很成熟的产品?cZsEETC-电子工程专辑

陈磊表示,中国本身是一个消费类产品的制造大国,国产存储器应当先从消费类产品着手,从低容量的低端产品入手,逐步的向高容量、高可靠性的产品市场进军,包括工业级和汽车级的存储器产品。因为除了提供全系列的存储器产品外,提供一致性的高可靠性存储器也很重要,“比如车规级产品不仅要满足AEC-Q100标准,更要提供0ppm存储器,对产品的设计、生产、测试和失效分析都是一个大的挑战。”cZsEETC-电子工程专辑

田步严和胡家铭也认为,国内厂商应该主攻目前最具商业价值的DRAM和NAND,虽然这类产品技术对国际大厂来说非常成熟,但对国内厂商来说还存在巨大挑战,不仅要完成产品开发,也要跨过产品大规模量产的门槛。目前国内DRAM和NAND主要玩家面临的最大瓶颈还是知识产权(IP),“虽然合肥长鑫已经获得了很多奇梦达的IP,长江存储也有了自研的IP,但世界主流的存储器玩家都是30多年历史。中国厂商才刚刚开始,还有很长路要走,要用发展眼光,要耐得住寂寞,也要有五年乃至十年不赚钱的觉悟。”cZsEETC-电子工程专辑

王振志同样提到了知识产权的重要性。他表示,硅存储器属于纳米级的高端技术,拥有组件与工艺的专利权才是晶圆制造厂商首要条件,还可作为将来产品量产与销售上专利攻防与诉讼的强大武器。“一些厂商通过技术授权,虽然可节省研发时间与成本, 但旧式成熟工艺技术的授权在晶圆厂演练没问题,一旦量产后仍会有价格与品牌竞争力的问题。”cZsEETC-电子工程专辑

此外,新工艺的开发,例如堆高层数的 3D NAND Flash 黄光或蚀刻开发工艺关键在设备,而非晶圆厂自身,晶圆厂仅需提供工艺整合与工程管理的优化环境即可。 因此王振志认为,引进新专利的授权, 例如新结构的内存,不仅可减少研发成本及因节点技术微缩而产生的电力损耗, 还可降低不必要的专利侵权或诉讼。cZsEETC-电子工程专辑

龙冬庆表示,应当在基于传统技术做好国产替代、夯实基础的同时,积极参与新型存储器的布局,探索弯道超车的可能性。“毕竟我们有全球最大的市场,加上国家发展半导体重点突破存储的战略所带来的资本和人才汇聚效应。”cZsEETC-电子工程专辑

责编:Amy GuancZsEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》2020年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 cZsEETC-电子工程专辑

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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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