非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r淺析

傅耀威，丁瑩，薛堪豪，安萌，劉庭煜

（1.科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心；2.華中科技大學(xué)；3.北京高國(guó)科技術(shù)有限責(zé)任公司；4.東南大學(xué)）

存儲(chǔ)器作為信息存儲(chǔ)的核心載體，在集成電路細(xì)分市場(chǎng)中規(guī)模居首，其安全性也受到高度重視。存儲(chǔ)器種類眾多，而非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器目前發(fā)展最快，若干新型存儲(chǔ)器已經(jīng)進(jìn)入或者即將進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。本文在對(duì)非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行梳理的基礎(chǔ)上，研究提出了我國(guó)該領(lǐng)域發(fā)展的對(duì)策建議。

一、關(guān)于非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）根據(jù)斷電以后是否能保留數(shù)據(jù)，分為易失性和非易失性兩種。其中作為計(jì)算機(jī)處理器高速緩沖的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM），以及作為內(nèi)存的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）是兩種最常見的易失性存儲(chǔ)器；而非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器則是指在斷電情況下，數(shù)據(jù)可穩(wěn)定保留十年以上的RAM，它兼顧了讀寫速度以及數(shù)據(jù)保持能力兩方面，因此被廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。根據(jù)用途、原理，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本分類情況如圖1所示。

二、世界非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

目前主要的非易失性存儲(chǔ)器是閃存（FLASH）,包括NAND和NOR兩種架構(gòu)。其中，三維堆疊的NAND閃存（3D NAND）是當(dāng)前市場(chǎng)上最主流的產(chǎn)品；另一方面，相變存儲(chǔ)器、阻變存儲(chǔ)器、基于自旋轉(zhuǎn)移矩的磁阻存儲(chǔ)器（STTMRAM）、鉿基鐵電存儲(chǔ)器等新技術(shù)也在快速發(fā)展。

圖1 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器基本分類

（一）閃存

用戶對(duì)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求，使得成本低廉且集成密度超高的NAND閃存，成為了市場(chǎng)上最主流的非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。據(jù)美國(guó)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Gartner統(tǒng)計(jì)，2019年全球存儲(chǔ)器銷售額約為1117億美元，其中NAND閃存接近500億美元。全球NAND閃存市場(chǎng)份額最高的六家公司是：韓國(guó)三星（Samsung，36%）、日本東芝（Toshiba，19%）、美國(guó)西部數(shù)據(jù)（Western Digital，15%）、美國(guó)鎂光（Micron，13%）、韓國(guó)海力士（SK Hynix，11%）與美國(guó)英特爾（Intel，6%）。我國(guó)NAND閃存市場(chǎng)曾長(zhǎng)期被國(guó)際幾大巨頭壟斷，但近年來通過長(zhǎng)江存儲(chǔ)為代表的公司進(jìn)行發(fā)力，在3D NAND領(lǐng)域逐漸接近國(guó)際先進(jìn)水平，部分實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)替代。

（二）相變存儲(chǔ)器

相變存儲(chǔ)器（PCM）利用材料晶體和非晶體之間電阻率的差別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，源于20世紀(jì)60年代提出的奧弗辛斯基效應(yīng)。2015年英特爾與鎂光共同提出了一種新型的3D X-Point存儲(chǔ)器技術(shù)。采用這種技術(shù)的固態(tài)硬盤稱為傲騰，讀寫速度介于DRAM和閃存之間，可緩解計(jì)算機(jī)內(nèi)存與硬盤之間讀寫速度不匹配的問題，是一種全新的架構(gòu)思想。盡管該技術(shù)的具體細(xì)節(jié)不詳，但英特爾和鎂光成立的合資公司IM Flash的首席執(zhí)行官之一Blalock透露，3D X-Point使用了相變材料與奧弗辛斯基效應(yīng)。3D X-Point的面世也引起了相變存儲(chǔ)器的研發(fā)熱潮。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)相變存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)化走在前列的有中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和華中科技大學(xué)有關(guān)團(tuán)隊(duì)。

（三）阻變存儲(chǔ)器

阻變存儲(chǔ)器（RRAM）是剛剛進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段的新型非易失存儲(chǔ)器，它主要利用在絕緣材料中產(chǎn)生和擦斷導(dǎo)電細(xì)絲來實(shí)現(xiàn)阻值的差別存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它的研發(fā)始于2000年，主要包括二元氧化物阻變存儲(chǔ)器（OxRAM），以及基于電化學(xué)金屬化的導(dǎo)電橋存儲(chǔ)器（CBRAM）。2008年惠普公司提出了憶阻器的概念，而阻變存儲(chǔ)器是最典型的一類憶阻器，從而激發(fā)了國(guó)際范圍內(nèi)的研究熱潮。

A d e s t o 公司很早就推出了商業(yè)化的C B R A M。富士通（Fujitsu）公司于2016年推出了4Mb的RRAM產(chǎn)品MB85AS4MT。索尼（Sony）公司有意研發(fā)128GB和256GB的RRAM固態(tài)硬盤，并認(rèn)為此技術(shù)將比NAND閃存更便宜，速度更快且功耗更低。臺(tái)積電（TSMC）、中芯國(guó)際、三星等公司也都具備生產(chǎn)RRAM的能力。

國(guó)內(nèi)方面，2018年兆易創(chuàng)新和美國(guó)Rambus公司宣布合作建立合資企業(yè)合肥?？疲≧eliance Memory），進(jìn)行RRAM技術(shù)的商業(yè)化。?？埔约懊绹?guó)Crossbar公司均使用中芯國(guó)際的40 nm工藝研發(fā)RRAM。

（四）磁阻存儲(chǔ)器

基于磁性隧道結(jié)和巨磁電阻效應(yīng)的磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）發(fā)展已有很長(zhǎng)的歷史，但近年來基于自旋矩轉(zhuǎn)移的STT-MRAM成為了主流。MRAM可以用于替代DRAM或者SRAM，使其在斷電情況下也能保存數(shù)據(jù)，MRAM在讀寫速度與耐久度方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，但成本較高。

美國(guó)Everspin公司于2018年發(fā)布了1GB容量的商用STT-MRAM芯片。韓國(guó)三星公司已在28納米FDSOI工藝的生產(chǎn)線大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式MRAM(eMRAM)。中國(guó)科學(xué)院物理研究所團(tuán)隊(duì)則研制了一種磁矩閉合型納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)，作為存儲(chǔ)單元的新型MRAM原型器件。

除以上幾類新型非易失存儲(chǔ)器外，還有一些新技術(shù)處于萌芽階段，例如基于新型鉿基鐵電材料的鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM），以及鐵電場(chǎng)效應(yīng)管等。非易失存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出了以NAND閃存為主導(dǎo)，諸多新型存儲(chǔ)器角逐未來的局面。

在大數(shù)據(jù)的時(shí)代，用戶對(duì)存儲(chǔ)器的需求不斷提升，容量更高，速度更快，功耗更低，具有良好的非易失性是存儲(chǔ)器始終的追求。現(xiàn)階段通過繼續(xù)縮小工藝線寬，以及引入三維集成的手段，NAND存儲(chǔ)器的集成密度取得了很大的提高，未來可望實(shí)現(xiàn)256層甚至512層的三維堆疊，在存儲(chǔ)密度方面一枝獨(dú)秀。圖2展示了NAND與幾類新型非易失存儲(chǔ)器的指標(biāo)對(duì)比，其中NAND在成本和集成密度兩個(gè)最重要的指標(biāo)上具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，雖然擦寫速度和耐久度方面相對(duì)較弱，但仍可滿足當(dāng)前消費(fèi)電子領(lǐng)域的大部分需求；MRAM在速度與耐久度方面可望與DRAM相媲美，適用于高性能服務(wù)器；PCM、RRAM以及鉿基FeRAM的各項(xiàng)指標(biāo)較為均衡。

圖2 幾類非易失性存儲(chǔ)器各項(xiàng)指標(biāo)綜合對(duì)比圖

三、我國(guó)非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器發(fā)展的對(duì)策建議

總體來看，當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)于非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的性能需求高于現(xiàn)有主流技術(shù)，這對(duì)于我國(guó)相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展來講既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。新技術(shù)的成熟則可能導(dǎo)致市場(chǎng)洗牌，這就要求我們?cè)陉P(guān)注當(dāng)前主流技術(shù)的同時(shí)，必須著眼于未來，加快技術(shù)儲(chǔ)備。

為進(jìn)一步有效促進(jìn)我國(guó)非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提出以下對(duì)策建議。

一是立足自主創(chuàng)新，緊跟世界前沿。作為后進(jìn)者，中國(guó)存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是在初期階段，需要在政府的支持和引導(dǎo)下，充分發(fā)揮企業(yè)的作用，加緊對(duì)于新一代非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)與器件的研發(fā)，加快提升設(shè)計(jì)能力及產(chǎn)業(yè)規(guī)模，盡快趕上世界先進(jìn)水平。

二是加強(qiáng)對(duì)非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器行業(yè)的市場(chǎng)分析。在我國(guó)將發(fā)展存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家戰(zhàn)略的大背景下，考慮到非易失半導(dǎo)體存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)本身的周期波動(dòng)和不確定性，以及長(zhǎng)期大投入、高風(fēng)險(xiǎn)的特性，應(yīng)當(dāng)重視對(duì)其的市場(chǎng)分析，并完善行業(yè)定期監(jiān)測(cè)分析和預(yù)警機(jī)制。