存儲芯片是什么 存儲芯片的分類及發(fā)展歷史

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存儲芯片是半導(dǎo)體行業(yè)中非常重要的一類產(chǎn)品，我們?nèi)粘Ｋ械?a target="_blank">電子設(shè)備基本都會用到存儲器。據(jù)WSTS預(yù)測，2023年全球存儲芯片市場規(guī)模將達到1675億美元，占比約30%；其中中國存儲器市場空間巨大，預(yù)計2023年國內(nèi)存儲芯片市場規(guī)模將達到6492億元(約942億美元)，約占全球市場的55.8%。

一、什么是存儲芯片

存儲芯片的定義

存儲芯片，是嵌入式系統(tǒng)芯片的概念在存儲行業(yè)的具體應(yīng)用。因此，無論是系統(tǒng)芯片還是存儲芯片，都是通過在單一芯片中嵌入軟件，實現(xiàn)多功能和高性能，以及對多種協(xié)議、多種硬件和不同應(yīng)用的支持。

2.操作方式：

對存儲行業(yè)而言，存儲芯片主要以兩種方式實現(xiàn)產(chǎn)品化：

1)ASIC技術(shù)實現(xiàn)存儲芯片

ASIC(專用集成電路)在存儲和網(wǎng)絡(luò)行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。除了可以大幅度地提高系統(tǒng)處理能力，加快產(chǎn)品研發(fā)速度以外，ASIC更適于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，根椐固定需求完成標(biāo)準化設(shè)計。在存儲行業(yè)，ASIC通常用來實現(xiàn)存儲產(chǎn)品技術(shù)的某些功能，被用做加速器，或緩解各種優(yōu)化技術(shù)的大量運算對CPU造成的過量負載所導(dǎo)致的系統(tǒng)整體性能的下降。

2)FPGA 技術(shù)實現(xiàn)存儲芯片

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是專用集成電路（ASIC）中級別最高的一種。與ASIC相比，F(xiàn)PGA能進一步縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，具有更高的設(shè)計靈活性。當(dāng)需要改變已完成的設(shè)計時，ASIC的再設(shè)計時間通常以月計算，而FPGA的再設(shè)計則以小時計算。這使FPGA具有其他技術(shù)平臺無可比擬的市場響應(yīng)速度。新一代FPGA具有卓越的低耗能、快速迅捷（多數(shù)工具以微微秒-百億分之一秒計算）的特性。

二、存儲芯片的分類

半導(dǎo)體存儲是存儲領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域最廣、市場規(guī)模最大的存儲器件。按照停電后數(shù)據(jù)是否可繼續(xù)保存在器件內(nèi)，半導(dǎo)體存儲器可分為掉電易失和掉電非易失器件；

1)易失存儲器在過去的幾十年里沒有特別大的變化，依然是以靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）、動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）為主；

2)非易失存儲器從早期的不可擦除PROM，到后來的光可擦除EPROM、電可擦除EEPROM，到現(xiàn)在的主流的Flash，技術(shù)在不斷的更新、進步?，F(xiàn)在RAM領(lǐng)域還出現(xiàn)了鐵電存儲器（FRAM）、相變存儲器（PRAM）、磁存儲器（MRAM）和阻變存儲器（RRAM）等非易失靜態(tài)存儲器。

1.EEPROM的全稱是“電可擦除可編程只讀存儲器”，可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O(shè)備上擦除已有信息，重新編程，一般用在即插即用。在一些所需存儲容量不大，并且需要頻繁更新的場合，EEPROM相比較于Flash，由于其百萬次的擦寫次數(shù)和更快速的寫入，成為更佳選擇。近年來，EEPROM除了越來越多的集成到SOC芯片中，也可搭配AMOLED、指紋、觸控、攝像頭、藍牙、無線等芯片形成模組。EEPROM以其通用性，穩(wěn)定耐用的數(shù)據(jù)存儲，各種小容量規(guī)格，能滿足攝像頭模組、可穿戴設(shè)備等對參數(shù)存儲的要求。

2.NOR Flash應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，幾乎所有需要存儲系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的電子設(shè)備都需要使用NOR Flash。NOR Flash的廣泛應(yīng)用，主要得益于其可芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP）的特點。如下圖所示，F(xiàn)lash均使用浮柵場效應(yīng)管作為基本單元來存儲數(shù)據(jù)。在控制柵極（Word Line與場效應(yīng)管連接處）未施加電壓時，源極和漏極之間導(dǎo)通則數(shù)據(jù)為1，中斷則為0。NOR Flash的連接方式為串聯(lián)，讀取數(shù)據(jù)不需對Word Line進行加壓，直接測量對應(yīng)的Bit Line和Source Line之間的通斷即可獲取該存儲單元的數(shù)據(jù)。不僅實現(xiàn)了位讀取，還大大提高了數(shù)據(jù)讀取的速度。實現(xiàn)位讀取，程序便可在NOR Flash上運行，即所謂的芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP）。

3.NAND Flash的連接方式為串聯(lián)，若要讀取下圖黃色Word Line（字線）的數(shù)據(jù)，需對其他所有Word Line進行增加電壓，加壓后漏極和源極處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此NAND Flash讀取數(shù)據(jù)的最小單位是頁（即Word Line上的所有數(shù)據(jù)），無法直接運行程序，所有數(shù)據(jù)必須先讀取到RAM上后才可運行。從應(yīng)用形態(tài)上看，NAND Flash的具體產(chǎn)品包括USB（U盤）、閃存卡、SSD（固態(tài)硬盤），以及嵌入式存儲（eMMC、eMCP、UFS）等。USB屬于常見的移動存儲設(shè)備，閃存卡則用于常見電子設(shè)備的外設(shè)存儲，如相機、行車記錄儀、玩具等。

4.DRAM是動態(tài)隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory）的縮寫，主要的作用原理是利用電容內(nèi)存儲電荷的多寡來代表一個二進制比特（bit）是1還是0。DRAM的特征是運算速度快，但掉電后數(shù)據(jù)會丟失，常應(yīng)用于系統(tǒng)硬件的運行內(nèi)存。DRAM用于計算機、手機的運行數(shù)據(jù)保存以及與CPU直接通訊。在計算機、服務(wù)器的應(yīng)用領(lǐng)域，DRAM以內(nèi)存模組的形式出現(xiàn)。內(nèi)存模組由DRAM內(nèi)存顆粒（即內(nèi)存芯片）和內(nèi)存接口芯片以及配套的印制電路板組成。在手機等移動設(shè)備領(lǐng)域，DRAM直接以一顆芯片的形安裝在主板上。

uDRAM按照產(chǎn)品分類分為DDR/LPDDR/GDDR和傳統(tǒng)型（Legacy/SDR）DRAM，相對于DDR的雙倍速率（在時鐘上升沿和下降沿都可以讀取數(shù)據(jù)），傳統(tǒng)的DRAM只在時鐘上升沿讀取數(shù)據(jù)，速度相對慢。應(yīng)用領(lǐng)域相對較窄，是利基型的DRAM。DDR/LPDDR為DRAM的應(yīng)用最廣的類型，因此DRAM主要應(yīng)用于計算機、服務(wù)器和移動設(shè)備上，根據(jù)Yole數(shù)據(jù)統(tǒng)計，兩者合計占DRAM應(yīng)用比例約為90%

5.SRAM即靜態(tài)隨機存取存儲器，SRAM不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)，DRAM每隔一段時間，要刷新充電一次，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)即會消失。SRAM的讀寫速度非?？欤瑫r能夠保證數(shù)據(jù)完整性，由于SRAM內(nèi)部采用的是雙穩(wěn)態(tài)電路的形式來存儲數(shù)據(jù)，所以SRAM的電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。由于SRAM更快，功耗低，但由于其容量小，成本更加昂貴，所以一般應(yīng)用于帶寬要求高，功耗要求低的場景。目前SRAM基本上只用于CPU內(nèi)部的一級緩存以及內(nèi)置的二級緩存，比如作為微控制器的RAM或者cache（32bytes到128kb）

三、存儲芯片的發(fā)展歷史

存儲行業(yè)興起于1960s，是半導(dǎo)體行業(yè)重要的分支領(lǐng)域。按照產(chǎn)品周期存儲行業(yè)的發(fā)展歷程大致可分為3個階段。1990年以前，DRAM為存儲芯片市場上主要的產(chǎn)品，且伴隨少量的EPROM和EEPROM。1990年至2000年，NOR Flash開始逐步占據(jù)一定比例的市場份額。2000年以后，NAND Flash開始爆發(fā)式增長，其市場規(guī)模直逼DRAM, 而NOR Flash的市場規(guī)模于2006年達到頂峰后開始逐漸下滑，但于近兩年又開始有微小上升趨勢

參照行業(yè)玩家的變化也可以劃分為3個階段，即美國→日本→韓國。

存儲行業(yè)的主要玩家伴隨歷史發(fā)展發(fā)生了顯著的變化，霸主地位由一開始的美國企業(yè)（1969-1984年）逐步轉(zhuǎn)移到日本（1985-1996年），最后再轉(zhuǎn)移到韓國企業(yè)（1996-現(xiàn)在）。目前存儲行業(yè)的主要玩家包括韓國的三星、SK海力士；日本的東芝、鎧俠、日立、NEC；美國的美光、英特爾、西部數(shù)據(jù)等。

四、技術(shù)發(fā)展趨勢

Nor Flash

1)NOR Flash制程進展緩慢

1988年，Intel推出第一款NOR Flash商用產(chǎn)品，制程為1.5微米。2005年，Intel推出65nm制程產(chǎn)品，直到2020年，65nm依然是NOR Flash主流制程,而與NOR Flash同源的閃存產(chǎn)品NAND Flash早已進入10nm制程。市場高端玩家美光與cypress目前均已采用最先進的45nm制程，中低端市場主要產(chǎn)商兆易創(chuàng)新與旺宏于2019年推出55nm制程，華邦預(yù)計于2021年量產(chǎn)45nm制程產(chǎn)品。

2)SPI接口技術(shù)優(yōu)化NOR Flash效率

串行外設(shè)接口(SPI)是微控制器和外圍IC（如傳感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等）之間使 用最廣泛的接口之一。4線SPI器件有四個信號：時鐘(SCLK)、片選(CS)、主機輸出 (MOSI)、從機輸 出(MISO)。主機送出CLK信號，主機到從機的數(shù)據(jù)在MOSI線上傳輸，從機到主機的數(shù)據(jù)在MISO線上 傳輸。與另一種同步傳輸協(xié)議I2C（并行存取方式)相比，序列式接口具有較多優(yōu)勢：其外在接腳數(shù)目更少， 降低了IC組裝及封裝的成本，占據(jù)了更小的印刷電路板面積并簡化了繞線的復(fù)雜度；由于電路設(shè)計原 因，SPI傳輸速率一般在幾十Mbps，I2C傳輸速率一般僅有400Kbps。

使用SPI接口技術(shù)的NOR Flash一般被稱為Serial NOR Flash或SPI NOR Flash，使用I2C接口技術(shù)的NOR Flash一般被稱為Parallel NOR Flash。目前，美光、賽普拉斯、華邦、旺宏等NOR Flash知名產(chǎn)商均有生產(chǎn)兩種形式的NOR Flash，兆易創(chuàng)新則專注于SPI NOR Flash。

當(dāng)前市場上以SPI為接口的NOR Flash產(chǎn)品數(shù)量較多，但根據(jù)Knowledge Sourcing Intelligence預(yù)測，并行接口的NOR Flash數(shù)量將在未來幾年有所增加。

2008 年 10 月，兆易創(chuàng)新推出國內(nèi)首款串行閃存（SPI NOR Flash）產(chǎn)品，并于12月開始量產(chǎn)。此后，公司SPI NOR Flash 產(chǎn)品不斷更新迭代。2019年4月，兆易創(chuàng)新推出八通道XSPI接口技術(shù)，大幅增加了閃存數(shù)據(jù)吞吐量。2020年7月，兆易創(chuàng)新的GD25/55 B/T/X系列1.8V產(chǎn)品（即GD25/55 LB/LT/LX）全面量產(chǎn)，其數(shù)據(jù)吞吐量分別為90Mbps，200Mbps和400Mbps。

2.DRAM

1)DRAM制程進入1z時代

DRAM的技術(shù)發(fā)展路徑是以微縮制程來提高存儲密度。制程工藝進入20nm之后，制造難度大幅提升，內(nèi)存芯片廠商對工藝的定義從具體的線寬轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰唧w制程范圍內(nèi)提升二或三代技術(shù)來提高存儲密度。譬如，1X/1Y/1Z是指10nm級別第一代、第二代、第三代技術(shù)，未來還有1α/1β/1γ。

目前市場上DRAM的應(yīng)用較為廣泛的制程是2Xnm和1Xnm，三星、美光、海力士等巨頭廠商均已開發(fā)出1Znm制程的DRAM。國產(chǎn)DRAM廠商合肥長鑫現(xiàn)已量產(chǎn)的DRAM為19nm制程，預(yù)計2021年可投產(chǎn)17nm DRAM，技術(shù)與國際先進的廠商還有較大的差距。

2)DRR系列性能持續(xù)優(yōu)化

DDR是雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器，在SDRAM（Synchronous DRAM）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，與SDRAM相比，它可以在一個時鐘讀寫兩次數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)傳輸速度加倍。主要應(yīng)用在個人計算機、服務(wù)器上。自2000年DDR1推出之后，20年內(nèi)DDR系列已更新

到了第五代，主要發(fā)展方向為工作效率提升與工作電壓降低。

3)DRR5：更高的帶寬，更快的速率，更低的功耗

2018年至2020年，海力士、美光、三星先后宣布完成DDR5研發(fā)，國內(nèi)產(chǎn)商方面，瀾起科技表示將在2020年內(nèi)完成DDR5研發(fā)。相比于DDR4，DDR5具有更高的帶寬，更快的速率，更低的功耗。據(jù)固態(tài)技術(shù)協(xié)會（JEDEC) ，DDR5突發(fā)長度增加到BL16，存儲區(qū)計數(shù)增加至32，為DDR4的兩倍；最高速率可達4.8Gbps，是DDR4的150%；輸入緩沖和核心邏輯的供電電壓降低至1.1V。根據(jù)IDC預(yù)測，DDR5的需求將逐步增長，在DRAM市場的占有率將于2021年達到25%，在2022年進一步上升至44%。

3.NAND Flash：3D垂直堆疊技術(shù)為主要發(fā)展方向

1)NAND Flash存儲密度不斷增加

根據(jù)每個存儲單元存儲的數(shù)據(jù)數(shù)量，NAND Flash可以分為SLC、MLC、TLC、QLC。SLC（SingleLevel Cell）為每個存儲單元存儲的數(shù)據(jù)只有1位，即只有0/1兩種狀態(tài)，而MLC（Multi-Level Cell）、TLC（Triple-Level Cell）、QLC（Quad-Level Cell）每個存儲單元能存儲的數(shù)據(jù)分別為2位、3位與4位，可以有4種、8種與16種狀態(tài)，存儲空間迅速增加。

四種類型的NAND Flash性能各有不同。SLC單位容量的成本相對于其他類型NAND Flash成本更高，但其數(shù)據(jù)保留時間更長、讀取速度更快；QLC擁有更大的容量和更低的成本，但由于其可靠性低、壽命短等缺點，仍有待后續(xù)發(fā)展。目前主流的解決方案為MLC與TLC 。

2)3D NAND成為主流方向

以往的閃存多為平面閃存，也即2D NAND，3D NAND是立體結(jié)構(gòu)的閃存。3D NAND使用多層垂直堆疊技 術(shù)，相比較于2D NAND，擁有更大的容量、更低的功耗、更好的耐用性以及更低的成本等優(yōu)點。具體?來說，3D NAND成本大約為2D NAND的3倍，64層3D NAND容量大約為2D NAND的三倍，隨著3D NAND層數(shù) 增加，規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢將逐漸凸顯。此外，相關(guān)測試顯示與2D NAND相比，3D NAND能夠節(jié)省約50%能耗。

目前2D NAND使用的制程工藝為14/15nm，3D NAND大多為20nm級別。同DRAM 一樣，NAND Flash 同樣采取 1X nm/1Y nm/1Z nm 進行工藝技術(shù)的度量。不同之處在于，由于物理結(jié)構(gòu)上 NAND 不需要制作電容器，自2015年制程推進遇到障礙時，制程工藝相對簡單的3D堆疊 技術(shù)成為新的發(fā)展方向。根據(jù)Yole，全球 3D NAND Flash 的產(chǎn)量已于2017年4季度超過2D。目前3D技 術(shù)正在穩(wěn)步推進中，未來的發(fā)展方向就是層數(shù)的繼續(xù)堆疊。

目前，全球能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)3D NAND的公司只有三星、美光、英特爾、海力士、長江存儲等10幾家廠商。根據(jù)TechInsights，截止2019年末，美光、海力士、三星、西部數(shù)據(jù)等國際大廠均已成功研發(fā)100+層 的3D NAND。2020年4月，長江存儲也宣布成功研發(fā)128層3D NAND。

4.新型存儲：打破內(nèi)外存儲邊界

1)新型存儲有望突破內(nèi)存、外存間 “存儲墻”

當(dāng)前主流的計算系統(tǒng)都采用馮諾依曼架構(gòu)，其特點在于程序存儲于存儲器中，與運算控制單元相分離。為了滿足速度和容量的需求，現(xiàn)代計算系統(tǒng)通常采取高速緩存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存儲(NAND Flash)的三級存儲結(jié)構(gòu)。SRAM響應(yīng)時間通常在納秒級，DRAM則一般為100納秒量級，NAND Flash更是高達 100微秒級，當(dāng)數(shù)據(jù)在這三級存儲間傳輸時，響應(yīng)時間的差異形成“存儲墻”。

DRAM和NAND Flash受限于本身物理特性，難以突破“存儲墻”。新型存儲的特殊材料和結(jié)構(gòu)使 其同時具備DRAM的讀寫速率與壽命以及NAND Flash的非易失特性，理論上可以簡化存儲架構(gòu)將當(dāng)前的內(nèi)存和外存合并為持久內(nèi)存，從而有望消除或縮小內(nèi)存與外存間的“存儲墻”。目前較為流行的新型存儲有4種：PCM、FRAM、MRAM、ReRAM。

2)PCM：高密度、低功耗的非易失存儲

相變位存儲器(PCM: Phase-change memory)，是一種非易失性存儲器設(shè)備。其材料為硫族化物的玻璃。硫?qū)俨ＡЫ?jīng)加熱可以改變狀態(tài)，成為晶體或非晶體，這些不同狀態(tài)具有不同的電阻特性和光學(xué)特性， PCM借此存儲不同的數(shù)值。PCM具有工藝尺寸小、存儲密度高、讀寫速度快、功耗低、可拓展性強等優(yōu) 點。

由于PCM必須逐層構(gòu)建，且每一層都必須采用關(guān)鍵的光刻和蝕刻步驟，導(dǎo)致成本與層數(shù)等比例增加， 因此其不具備垂直3D NAND的制造技術(shù)所能達到的規(guī)模效益。2015年，Intel與Micron推出3D Xpoint存儲器，旨在作為計算系統(tǒng)中DRAM與NAND閃存SSD之間的新增 存儲器層。3D Xpoint存儲器使用相變材料，其存儲量接近NAND，速度與DRAM相近，成本介于NAND和 DRAM之間。

在3D Xpoint基礎(chǔ)上，Intel與美光分別推出自己的產(chǎn)品。Intel傲騰系列產(chǎn)品都是基于3D Xpoint，包 括傲騰固態(tài)盤系列與傲騰內(nèi)存系列，其中，傲騰固態(tài)盤用于標(biāo)準 NAND 封裝模型中的快速存儲，內(nèi)存 產(chǎn)品則在DRAM總線上運行；美光在2019年推出X100 SSD，其每秒讀寫次數(shù)最高為250萬，連續(xù)傳輸?shù)?性能約為10GB/s，兩項性能均創(chuàng)造了單塊SSD的新記錄。

3)FRAM:讀寫耐久的隨機存儲

鐵電存儲器（FERAM），是一種隨機存取存儲器,與DRAM類似，但其使用鐵電層而非介電層來實現(xiàn)它的非 易失性。FRAM的電壓、電流關(guān)系具有可用于存儲位的特征滯后回路。正電流使位單元處于具有正偏置的 狀態(tài)，而負電流將該位單元的狀態(tài)改變?yōu)樨撈谩?/p>

電鐵存取器的缺點是，它的讀取是破壞性的，每次讀取后必須通過后續(xù)寫入來抵消，以將該位的內(nèi)容恢 復(fù)到其原始狀態(tài)。它的優(yōu)點是具有獨特的低寫入耗電性能以及寫入耐久性，F(xiàn)eRAM在+85°C下的數(shù)據(jù)保留時間超過10年（在較低溫度下長達數(shù)十年）。富士通正在開發(fā)FRAM并竭力推廣商業(yè)化進程。

4)MRAM：高速長壽的非易失存儲

磁性存儲器 (MRAM）是一種非易失性存儲。共有三層，上下兩層是磁性隧道結(jié)，中間為晶體管。當(dāng)最上層磁性方向與最下層方向一致時，MTJ具有低電阻；當(dāng)最上層磁性方向與最下層方向相反時，MTJ具有高電阻。寫入數(shù)據(jù)時，通過嚴格控制電流，改變最上面一層磁場方向進而改變晶體管電阻值。

所有新型存儲介質(zhì)中，MRAM是唯一一個速度可與DRAM媲美的存儲器。此外，MRAM具有較長的壽命，其 組成的固件就無需像基于閃存的SSD固件做磨損均衡。

目前Everspin已經(jīng)有產(chǎn)品應(yīng)用于航空航天等特定領(lǐng)域，并于2019年開始與格芯合作，試生產(chǎn)28nm制程 的1Gb STT-MRAM產(chǎn)品。

5)ReRAM：高速非易失存儲

阻變存儲器 (ReRAM)是一種非易失性存儲器。采用兩端加了電壓，電阻會發(fā)生變化的材料，目前主要 是過渡金屬氧化物。過渡金屬氧化物的薄膜是絕緣體，其電阻值在電場作用下會發(fā)生可逆變化。即，當(dāng)電場超過臨界值時介電層會發(fā)生崩潰現(xiàn)象，使介電層從高阻值轉(zhuǎn)為低阻值阻變存儲器。依據(jù)電阻器 處于高電阻或低電阻狀態(tài)以表示“1”或“0”。

與PCM相比，ReRAM的運行時間更快，與MRAM相比，ReRAM具有更簡單，更小的單元結(jié)構(gòu)。Crossbar正致力于其產(chǎn)業(yè)化進程，富士通和松下正在聯(lián)合加大投入開發(fā)第二代 ReRAM 器件。

編輯：黃飛

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