【科技评论】存储器技术发展现状和对我国的启示
当前，伴随着第五代移动通信、物联网和大数据的快速发展，存储器的需求量迅速增加，存储容量、存取速度、功耗、可靠性和使用寿命等指标要求也越来越高。目前，平面型存储结构在经历了将近50年的发展后遭受巨大挑战，无法延续摩尔定律和满足下一步发展需求，存储器的发展进入转型期。
一、平面结构发展受限，立体化和新兴存储技术成为方向
根据断电后信息是否被保存，传统存储器分为可保存信息的非易失性和不保存信息的易失性两种。目前，两种存储器分别以与非（NAND）闪存和动态随机存储器（DRAM）为主要类型。NAND闪存和DRAM都是硅基互补金属氧化物半导体器件，在摩尔定律和海量数据存储需求的推动下，不断向大容量、高密度、快速、低功耗、长寿命方向发展。但随着特征尺寸不断减小至接近原子级，传统平面型结构遇到无法跨越的性能障碍，存储器的性能和可靠性达到极限，而且新工艺节点开发成本迅速增加，进一步降低预期收益。
为此，存储器向两大方向转型发展：一是继续沿用硅基材料，用垂直堆叠替代特征尺寸微缩，从平面转向立体结构；二是使用新材料和新结构研制新兴传感器技术。前者的挑战是开发出可实现8层到32层甚至64层连续堆叠的材料和生产工艺，并保证每一层存储器性电性能的一致可控。后者的挑战是论证开发配套生产工艺，并保证新材料不会对既有生产线造成污染、产品性能优于现有存储器和可长期可靠使用等。
二、多层存储器垂直堆叠，突破传统存储器发展瓶颈
在传统平面型存储器中，NAND闪存的基本存储单元由一个晶体管构成，DRAM的基本存储单元则由一个电容器和一个晶体管串联而成。因此，闪存的工艺难度小于DRAM，工艺发展也领先于DRAM。目前，闪存和DRAM的特征尺寸已分别达到15和20纳米，存储单元间的干扰已严重阻碍存储器特征尺寸的进一步减小。因此，通过垂直堆叠实现立体化，成为突破存储器发展障碍的重要方向。而由于垂直堆叠所带来的巨大性能提升空间，可放宽对存储器制造工艺的精度要求，即采用相对落后的生产工艺也能达到超越平面型结构的存储性能，而工艺的放宽则可进一步提高读写次数和可靠性。
（1）与非闪存（NAND Flash）
全球主要闪存生产商均投入三维（3D）NAND闪存的研制，并先后宣布不再开展15纳米及以下尺寸平面型闪存的研究。2013年，三星采用40纳米工艺开始量产全球首个3D NAND闪存（24层、128Gb），容量、写入速度和可靠性与20纳米平面型闪存相比分别提升了2、2和2～10倍。目前，三星、英特尔/美光、闪迪/东芝是3D NAND闪存的三个主要研究团队，在“你追我赶”地激烈竞争中不断提升闪存的主要性能，如堆叠数从32层到48层、单位存储能力从2比特/晶体管（MLC）到3比特/晶体管（TLC）、容量从128Gb到256Gb、生产工艺从40纳米到15纳米等。2015年3月，英特尔/美光宣布研制出32层256Gb（@MLC）和384Gb（@TLC）3D NAND闪存；8月，东芝/闪迪、三星先后宣布以15纳米和40纳米开始试样生产48层256Gb（@TLC）3D NAND闪存，并计划于2015年下半年或2016年上半年投产。
（2）动态随机存储器（DRAM）
使用三维硅穿孔（TSV）技术进行垂直堆叠也是DRAM的主要发展方向。2011年,日本尔必达（已被美光收购）开始提供全球首个采用TSV技术制造的DRAM芯片（4层，8Gb），功耗和封装面积分别是普通DRAM的80%和30%。目前，三星、英特尔/美光、AMD/海力士是DRAM的三个主要研究团队，提出了多种堆叠结构，如Wide I/O2、混合存储立方体（HMC）和高宽带存储器（HBM）等。2014年8月，三星推出由36片DRAM存储器芯片组成的DRAM，36片中的每一片DRAM芯片均由4个4Gb DRAM芯片经TSV垂直堆叠而成，与采用键合封装的DRAM相比，存储速度提升2倍，功耗降为1/2。2015年，英特尔/美光和AMD/海力士分别推出了HMC和HBM结构，将读取速度再次提升了2～3倍，以满足高端服务器和图像处理器等应用需求。这两种结构将于近两年逐步进入应用。
三、新材料、结构和物理效应，带来新兴存储器技术
新兴存储器以大容量、低功耗、高速读写、超长保存周期、数据安全等为发展目标，包括利用自发极化现象开发的铁电随机存储器（FRAM）、利用电致相变现象的相变存储器（PCM）、利用磁电阻效应开发的磁性随机存储器（MRAM）、利用电致电阻转变效应开发的电阻随机存储器（RRAM），以及赛道存储器、铁电晶体管随机存储器（FeTRAM）、导电桥梁随机存储器（CBRAM）、内容寻址存储器（CAM）等。尽管随着技术的发展，新兴存储器的性能不断得到优化，但新兴存储器仍只是对现有存储器的一种补充，距离完全替代尚无明确的时间预期。
（1）铁电随机存储器（FRAM）
FRAM包含由锆钛酸铅制成的铁电薄膜，其中心原子可在外加电场时顺着电场方向在晶体里移动，并在通过能量壁垒时引起电荷击穿，该击穿可被内部电路感应并记录，当移去电场后中心原子保持不动，实现数据的非易失性存储。与一般非易失性存储器相比，FRAM的耐受性和读写速度分别提升1万和500倍、功耗降低70%，并具有极高的安全性和防篡改能力、长达10年的数据保存期、与标准集成电路制造工艺兼容等优点。FRAM由富士通于1999年实现量产，但受限于容量（<1Mb）和价格，仍未实现大规模应用，主要应用于工厂自动化设备、测试仪器、金融终端和医疗装置等对功耗和安全性较为敏感的领域。目前，FRAM的主要研发厂商有富士通、德州仪器和Ramtron（已被赛普拉斯收购）。2014年2月，富士通开发出1Mb内存FRAM产品，具有1013次的读写能力，支持3.4MHz高速操作模式，适合需经常重复写入数据等应用。
（2）相变存储器（PCM）
PCM利用含锗、锑、碲合成材料在不同相间的电阻差异进行信息的非易失性存储，具有与DRAM相媲美的位可修改和快速读写能力；“可执行”特性可将程序代码与数据分开，适用于手机等数据处理量较大的应用；数据保存期长达10年，并与读写次数无关；易微缩，且微缩更利于优化功耗和性能。目前，PCM的主要研发厂商包括英特尔、美光、恒忆、IBM等。2012年7月，美光公司开始量产采用45纳米制成全球首个1Gb PCM产品，并投入手机和平板电脑的应用，使启动时间更短、功耗更低、续航能力更长。2015年5月，IBM在PCM的研究中取得重大突破，有效解决PCM多层存储单元中存在的电阻漂移现象和温度影响两大问题，有力推动PCM的继续发展。
（3）磁性随机存储器（MRAM）
MRAM依据不同磁化方向致磁电阻不同的原理来进行信息的非易失性存储，具有与传统存储器相同的高读写速度和高集成度、大于20年的数据保存期、大于1014次的读写次数、超低功耗和超强抗辐射能力等优点。MRAM已发展出触发、热辅助开关和自旋转移矩三种类型。触发型MRAM由飞思卡尔于2006年实现量产，目前已应用在便携式装备、工控系统、汽车电子、军事和宇航中，生产商包括由飞思卡尔公司MRAM部门独立而成的埃尔斯宾和艾法斯。热辅助开关型MRAM由法国Crocus（目前唯一生产商）研制，并于2011年在俄罗斯合作建设生产线、2013年开始量产。自旋转移矩型MRAM具有写入电流小、无定位错误、能耗低、微缩性好、半导体工艺兼容性好等多项优点，被称为第二代MRAM，由埃尔斯宾（目前唯一生产商）于2012年实现量产，目前容量达到64Mb。由于MRAM所具有的优良特性，国防高级研究计划局（DARPA）和美国情报高级研究计划局（IARPA）先后于2009年和2012年投资支持自旋转移矩型和热辅助开关型MRAM的研究。
（4）电阻随机存储器（RRAM）
RRAM依托具有记忆功能的线性电阻在不同电流呈现不同阻值的特性来进行信息的非易失性存储，具有制备简单、读取时间少于10纳秒、写入时间约为0.1纳秒、存储密度高、半导体工艺兼容性好等优点。目前，RRAM仍处于研制阶段，主要参研单位包括三星、比利时微电子研究中心（IMEC）、松下、美光、闪迪和初创公司Crossbar等。2014年12月，Crossbar提出将RRAM堆成立方体状结构，使RRAM的理论存储容量达到1TB，并计划于2015年制出样品，并成为首个实现RRAM量产的企业。
四、我国发展存储器的建议
在我国集成电路市场需求中，存储器一直是占据市场份额最大、增速最快的产品类型，如存储器占2014年我国集成电路总用量的第一位，占比达到23.7%。但我国国产存储器技术基本处于空白，主要依靠进口满足使用需求，这不仅导致了大量外汇的流失，还给我国社会经济和国防安全带来巨大潜在危险。存储器已成为我国建立集成电路产业的重点和关键。目前正是我国发展存储器的良好机遇期，一是国家对集成电路产业发展给予了前所未有的高度重视，不仅出台发展纲要，还成立了专门的产业发展基金；二是我国手机、物联网、汽车等应用市场或已成为世界最大或处于急剧扩张期，都对存储器提出巨大需求。我国应充分抓住这个机遇获得存储器产业的快速发展。
（1）保证巨额资金长期稳定有效地投入
全球存储器产业在经历了2007～2012年间持续的激烈竞争后，已形成寡头垄断态势，如三星、东芝/闪迪、美光和海力士四家企业占据全球NAND闪存市场份额的99%；三星、海力士和美光三家企业占据全球DRAM市场份额的90%。形成寡头垄断的原因，首先是存储器呈现高度标准化，产品差异化小，主要靠先进制造工艺和规模取胜，这一方面需要企业投入巨额的研发和生产线建设资金，如三星、美光、东芝、海力士等企业每年的资本支出都在数十亿至百亿美元级别，另一方面要求企业必须建设和保有庞大的产能才能实现盈利，如2014年美光和三星存储器芯片的月产能分别是23万和40万片；其次是存储器呈现巨大的周期波动性，单片存储器的价格从几美元降到几美分的情况屡见不鲜，而提供持续的资金进行补贴甚至“输血”是帮助存储器企业渡过亏损期的重要保证。因此，我国要发展存储器首先要保证研发、建线和渡过亏损期所需大量资金的长期稳定供给。
（2）由国家进行从上到下地协调统筹
目前，我国已有地方政府和企业对存储器领域进行了投资，如以武岳峰和清芯华创为代表的上海和北京集成电路产业基金在2015年3月联合收购了美国DRAM生产商ISSI；东芯半导体在随后的4月收购了韩国继三星、海力士之后的第三大存储器生产商Fidelix 25.3%的股权，成为第一大股东及实际控制人。由于发展存储器所需的巨额资金，非企业、社会力量、地方政府和国家一力所能承担，因此应从国家的高度对存储器的发展进行整体统筹，并由国家负责协调、管理和监督资金的使用情况，如纳入国家集成电路产业发展基金体系进行统一管理和考核等，以保证资金投入总额和使用效益的最大化，避免出现各自为政、互相竞争、重复建设的情形。
（3）抓住物联网等市场带来的巨大内需
我国目前对存储器存在巨大内部需求，如据行业研究机构DRAMeXchange研究表明，2014年中国DRAM与NAND闪存的用量分别高达47.89亿与70.36亿美元，占全球产能的19.2%与20.6%。下一步，随着物联网、汽车、医疗等市场的发展壮大，对存储器的需求将进一步放大，如据行业研究机构TechNavio预测，得益于物联网和车联网的发展，到2018年3D NAND闪存的复合年增长率超过80%。而在结合行业特点和需求做进一步研究后发现，物联网和汽车所用存储器并不需要工艺最先进、性能最优的存储器。例如，物联网更多地追求稳定性和低功耗，对容量要求较低，因此常采用可靠性最高的1Gb低容量DRAM。这为我国发展存储器提供了重要的突破口。
（4）技术引进的同时重视创新和成本控制
由于我国存在广阔的市场需求，国际企业与我国企业合作的意愿不断高涨。而随着我国企业实力的不断增强，跨境并购的数量也逐渐增多。但无论是参与国际合作，还是通过并购掌握国外专利，都要此基础上加强自主创新，以逐步建立起核心技术优势。只有掌握了核心技术，才能在建立合适产能规模的基础上尽可能降低成本和提高收益，才能抵挡住三星等国际龙头企业常采用的压价竞争方式，才能在不断提升整个产业链自主程度的基础上实现赶超。例如，日本和韩国先后利用成本优势在80年代和90年代跃居成为世界第一大存储器供应国，台湾则因为没有自主技术，在存储器的发展上受制于人，也无法抵御价格战的冲击，最终在2000年前后退出存储器市场。又如，在占据世界第一市场份额后，三星多次通过扩张产能、极端压价的方式打击和消灭竞争对手，一直保持存储器世界霸主地位。
（5）发展新兴存储器技术实现跨越发展
传统存储器领域经过多年的发展，已形成国外寡头企业垄断、技术积累深、投资规模大的局面，对包括我国在内的行业后进者设置了难以企及的高门槛。而新兴存储器领域则不同，国外也正处于研发或刚刚产业化阶段。而且，近两年随着三维传统存储器接连取得突破，研究重点更多地回到了传统硅基存储器上，新兴存储器的进展速度略微放缓。这正好为我国提供一个缩短与国外存储器技术差距的机会。我国可选定一种至两种有望替代现有技术的新兴存储器作为研究对象，大力推进技术研发和研究成果产业化，以跨越式实现我国在下一个技术节点上与国外的同步发展。
（来源：产业技术观察）
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