存儲(chǔ)芯片，沒有好消息！

半導(dǎo)體進(jìn)入下行周期，存儲(chǔ)作為半導(dǎo)體中舉足輕重的一個(gè)門類，尤為疲軟。因?yàn)橥ㄘ浥蛎泴?dǎo)致PC產(chǎn)品銷售停滯、DRAM供應(yīng)過剩，DRAM價(jià)格已經(jīng)連續(xù)七個(gè)月下滑。所以，關(guān)于存儲(chǔ)，最近真的是沒有什么好消息。另一邊，新型存儲(chǔ)也一直不溫不火，各新型存儲(chǔ)技術(shù)優(yōu)勢(shì)頗多，但真正商用還存在各種挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)存儲(chǔ)芯片技術(shù)和廠商在艱難中前行

半導(dǎo)體行業(yè)迎來(lái)下行周期，存儲(chǔ)廠商苦不堪言。從市場(chǎng)角度來(lái)看，第三季度，三大存儲(chǔ)廠商的銷售額都感受到了急劇下滑，三星電子的DRAM銷售額為71.33 億美元，環(huán)比下降34.2%；SK 海力士錄得52.46億美元，下降25.3%；美光科技錄得43.5億美元，下降 26.3%。而且SK海力士還預(yù)計(jì)將在第四季度出現(xiàn)虧損，這是10年來(lái)的首次。

雖說汽車存儲(chǔ)市場(chǎng)正在快速崛起，但相比之下，汽車存儲(chǔ)器市場(chǎng)依舊是很小的一部分，據(jù)Yole的最新報(bào)告，2021年汽車存儲(chǔ)器市場(chǎng)僅占全球存儲(chǔ)器市場(chǎng)收入的2.6%。而且，汽車市場(chǎng)在質(zhì)量、資格、可靠性、功能安全和供應(yīng)壽命方面有特定要求，在Yole看來(lái)，汽車存儲(chǔ)器業(yè)務(wù)正迎來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

從技術(shù)來(lái)看，在“存儲(chǔ)器”和“性能墻”兩大高墻之下，傳統(tǒng)存儲(chǔ)發(fā)展越來(lái)越吃力。由于工藝完整性、成本、單元泄漏、電容、刷新管理和傳感裕度方面的挑戰(zhàn)，存儲(chǔ)單元縮放正在放緩。業(yè)界很早就關(guān)注到了傳統(tǒng)存儲(chǔ)在制程微縮上面臨的困境，繼續(xù)微縮將要花費(fèi)更多時(shí)間、成本。但即使這樣，存儲(chǔ)巨頭們?nèi)栽谙冗M(jìn)技術(shù)上不斷追趕。

為了提高NAND Flash的容量，廠商們正在利用3D堆疊技術(shù)蓋高樓，拼層數(shù)。DRAM領(lǐng)域則聚焦制程迭代，隨著工藝來(lái)到10nm及以下，價(jià)格高昂的EUV光刻機(jī)和3D堆疊技術(shù)開始成為廠商們比拼的關(guān)鍵利器。前不久，美光的DRAM技術(shù)1β（1-Beta） 節(jié)點(diǎn)正式量產(chǎn)出貨，而三星和SK海力士還停留在1α階段。英特爾也重返了存儲(chǔ)市場(chǎng)，表示希望重新思考DRAM存儲(chǔ)器的架構(gòu)，及與計(jì)算平臺(tái)結(jié)合的基本面，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)突破性的效能提升。

如今的CPU、GPU和各種SoC通常利用SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）來(lái)處理數(shù)據(jù)緩存，即使是智能手機(jī)的通用處理器、圖形芯片和應(yīng)用處理器也攜帶著巨大的緩存，雖然邏輯芯片可以隨著工藝勉強(qiáng)擴(kuò)展下去，但是SRAM單元卻一直落后。臺(tái)積電的一篇論文中表示，SRAM的微縮似乎已經(jīng)完全崩潰。據(jù)WikiChip的報(bào)道，在今年的第68屆年度IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議 (IEDM) 上，臺(tái)積電談到其新的N3節(jié)點(diǎn)中高密度SRAM位單元大小根本沒有縮小，在0.021μm2處與他們的N5節(jié)點(diǎn)的bitcell大小完全相同。然而，在0.0199μm2，它只有5%的縮放(或0.95倍收縮)。也就是說，臺(tái)積電的N3B和N3E雖都提供了1.6倍和1.7倍的芯片級(jí)晶體管縮放，但SRAM卻只有1倍和1.05倍的縮放。

SRAM的縮放進(jìn)入極限不僅是臺(tái)積電一家感受到了，英特爾最近宣布的Intel 4進(jìn)程SRAM 縮放比例已從歷史上的0.5-0.6倍放緩至0.7-0.8 倍。所以可以看出，在3nm及以下節(jié)點(diǎn)按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行SRAM縮放似乎已經(jīng)結(jié)束。

所以SRAM也進(jìn)入了一個(gè)有趣的拐點(diǎn)，未來(lái)是尋找更好的替代品還是新的連接方式和新的晶體管。Anton Shilov在他2022年12月16日發(fā)表的文章提到，由于SRAM單元區(qū)域擴(kuò)展緩慢，CPU和GPU等處理器可能會(huì)變得更加昂貴。就目前來(lái)說，唯一可行的方法是采用更多小芯片設(shè)計(jì)，并將較大的緩存分解為在更便宜的節(jié)點(diǎn)上制造的單獨(dú)芯片。

由于傳統(tǒng)存儲(chǔ)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，所以這幾年業(yè)界對(duì)新型存儲(chǔ)寄予厚望。各種新型存儲(chǔ)技術(shù)未啟用先火，各種優(yōu)勢(shì)撲面而來(lái)，似乎要掀起一輪存儲(chǔ)的革命。

為何新型存儲(chǔ)還沒“出人頭地”？

以PCM、MRAM、ReRAM、FRAM等為代表的新型存儲(chǔ)器技術(shù)，分別對(duì)應(yīng)相變、磁變、阻變、鐵電，各有千秋，也因此集聚了不同陣營(yíng)。但新興技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用有限，尚無(wú)法構(gòu)成實(shí)質(zhì)性替代。

PCM（相變存儲(chǔ)器）被業(yè)界公認(rèn)為是工藝最為成熟的，PCM比NAND擁有更快的寫入周期、更快的訪問時(shí)間、低功耗、可執(zhí)行等優(yōu)點(diǎn)，因此也成為未來(lái)最有望取代當(dāng)前傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的高速存儲(chǔ)介質(zhì)。PCM 在市場(chǎng)上的預(yù)期增長(zhǎng)完全取決于美光與英特爾聯(lián)合開發(fā)的3D XPoint技術(shù)。但隨著美光于2021年3月退出該市場(chǎng)，再加上英特爾Optane內(nèi)存的消亡，PCM也隴上了一層陰霾。Optane是相變存儲(chǔ)器（PCM）的一種變體，英特爾此前試圖用PCM來(lái)替代NAND閃存，但因?yàn)槌杀竞芨叨允「娼K。PCM陣營(yíng)中還有意法半導(dǎo)體（ST），ST搭載ePCM的Stellar 車用MCU計(jì)劃于2024年量產(chǎn)。不過，即使是英特爾和美光這樣的國(guó)際半導(dǎo)體制造商也很難讓PCM具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，接下來(lái)是否還會(huì)有更多的企業(yè)追逐它也讓人有所懷疑。

MRAM（磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）因兼具SRAM的高速和DRAM的高密度，并且在性能和耐用性方面優(yōu)于NAND 閃存，以及微縮至22納米以下的潛力，相當(dāng)適合應(yīng)用在嵌入式記憶體的領(lǐng)域。MRAM已經(jīng)存在多年，但它的采用一直很緩慢，部分原因是制造方面的挑戰(zhàn)，還因?yàn)樾酒４娴臄?shù)據(jù)相對(duì)較少。

MRAM是三星、臺(tái)積電先后投入研究的新型存儲(chǔ)產(chǎn)品。早在2002年，三星電子開始研究MRAM，2019年，三星電子推出了一款基于28nm的內(nèi)置MRAM產(chǎn)品。今年，三星電子在IEDM上以論文形式發(fā)表了下一代MRAM的相關(guān)研究開發(fā)成果，三星在14nm FinFET工藝中，采用了現(xiàn)有28nm工藝中的磁隧道結(jié)（MTJ），摘要稱，將MTJ縮小到14納米FinFET節(jié)點(diǎn)后，面積縮小了33%，讀取時(shí)間加快了2.6倍。另外，2022年6月中旬，臺(tái)灣工研院攜手臺(tái)積電共同發(fā)表SOT-MRAM技術(shù)，該技術(shù)能在低電壓、電流的情況下，達(dá)到0.4納秒的高速寫入，并具備7萬(wàn)億次的耐受度。此外，瑞薩也在主攻MRAM，其已在22納米工藝上實(shí)現(xiàn)高速STT-MRAM。

MRAM的市場(chǎng)前景也被廣泛看好，日本東北大學(xué)國(guó)際集成電子研究中心（CIES）預(yù)計(jì)MRAM將在AI服務(wù)器和高性能計(jì)算機(jī)中發(fā)揮作用。據(jù)IMARC Group的報(bào)告，2022年全球MRAM市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到4.271億美元。展望未來(lái)，IMARC Group預(yù)計(jì)到2028年該市場(chǎng)將達(dá)到45.25億美元，2023-2028年的增長(zhǎng)率 (CAGR) 為 44.5%。

ReRAM的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在更高的耐用性、對(duì)環(huán)境的穩(wěn)健性、低功耗和高速，而且另外很重要的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是ReRAM可以使用后端 (BEOL) 制造進(jìn)行整合，從而提高集成靈活性。ReRAM的商用化似乎正在加速。2022年11月，美國(guó)晶圓代工廠SkyWater生產(chǎn)出第一批集成以色列半導(dǎo)體公司W(wǎng)eebit的嵌入式ReRAM的硅晶圓， Weebit Nano的ReRAM封裝在一個(gè)256 kb陣列中，一個(gè)RISC-V微控制器，以及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序所需的其他接口和外圍設(shè)備（如下圖所示）。國(guó)內(nèi)方面，昕原半導(dǎo)體、億鑄科技等也都推動(dòng)基于ReRAM存儲(chǔ)介質(zhì)的存算一體技術(shù)的商用，此前昕原半導(dǎo)體首款28nm制程ReRAM產(chǎn)品“昕山文”已正式向工控領(lǐng)域品牌客戶量產(chǎn)出貨。

FRAM的單位銷量似乎超過了所有其他新興存儲(chǔ)類型的總和，主要是富士通所帶來(lái)的出貨量，據(jù)悉，富士通的用于地鐵票價(jià)卡的RFID芯片中所使用的FRAM芯片已經(jīng)出貨了至少40億顆。FRAM（鐵電RAM）的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手EEPROM和MRAM，其消耗的有源電流要小得多，如下圖所示。在FRAM商用方面，英飛凌最近推出了8 Mb和16 Mb Excelon FRAM存儲(chǔ)器，可滿足汽車和工業(yè)系統(tǒng)的非易失性數(shù)據(jù)記錄要求。或許現(xiàn)在的汽車行業(yè)的發(fā)展需求下，F(xiàn)RAM能夠施展拳腳，因?yàn)檫@些系統(tǒng)與外太空一樣是惡劣的操作環(huán)境，需要額外的保護(hù)以防止數(shù)據(jù)丟失。除了英飛凌，F(xiàn)RAM的擁抱者還有富士通、羅姆、德州儀器等。

盡管可商用，但FRAM并沒有被廣泛認(rèn)知和追捧，這主要是因?yàn)?，F(xiàn)RAM中包含元素周期表中的鉛和鉍，很容易污染工廠，它在歷史上很難與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝集成，在較小的工藝中也不能很好地微縮。因此，F(xiàn)RAM 作為非易失性嵌入式片上存儲(chǔ)器的用途有限。不過據(jù)業(yè)界的研究和努力，氧化鉿和氧化鋯也可以配制成表現(xiàn)出鐵電特性，而且這些材料由于其他原因已經(jīng)在晶圓廠中使用，或許FRAM的未來(lái)還是可以一搏。

所以總體看下來(lái)，新型存儲(chǔ)技術(shù)優(yōu)勢(shì)頗多，挑戰(zhàn)也不少，未來(lái)新興的存儲(chǔ)技術(shù)將何去何從，還要看各家廠商的推動(dòng)和努力。

結(jié)語(yǔ)

存儲(chǔ)芯片是長(zhǎng)期高成長(zhǎng)的賽道，占據(jù)半導(dǎo)體三分之一的江山，只要有數(shù)據(jù)就離不開存儲(chǔ)。所以無(wú)論是傳統(tǒng)存儲(chǔ)還是新型存儲(chǔ)，在當(dāng)下5G、AI和汽車的新發(fā)展需求下，似乎都有不同的發(fā)展契機(jī)和挑戰(zhàn)。接下來(lái)，存儲(chǔ)市場(chǎng)將必定迎來(lái)百花齊放，百家爭(zhēng)鳴的格局。

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