AI驅(qū)動(dòng)新型存儲(chǔ)器技術(shù)，國內(nèi)新興存儲(chǔ)企業(yè)進(jìn)階

生成式AI對(duì)于算力、運(yùn)力和存力的需求與日俱增，如何打破“存儲(chǔ)墻”成為存儲(chǔ)行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)會(huì)。從因AI訓(xùn)練而爆紅的HBM，再到DDR5、PCIE5.0 SSD、UFS4.0等存儲(chǔ)規(guī)格不斷演進(jìn)，正是為了加速AI的訓(xùn)練與推理應(yīng)用。但另一方面，新型存儲(chǔ)也在AI時(shí)代扮演越來越重要的角色，最近國內(nèi)新興存儲(chǔ)企業(yè)也將目光投向于此，并推出新產(chǎn)品等，以期緊跟新型存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。
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阻變存儲(chǔ)器
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RRAM（Resistive Random Access Memory）意為阻變式存儲(chǔ)器，也稱憶阻器，具有尺寸易于縮小，高速度，低功耗，低成本，易與CMOS工藝兼容等諸多特點(diǎn)。
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阻變存儲(chǔ)器以阻變材料作為存儲(chǔ)介質(zhì)，主要集中于二、三元金屬氧化物，硫系化合物，不同形態(tài)碳以及有機(jī)聚合物等。阻變存儲(chǔ)器工作原理為施加電壓（反向偏壓）后，原子在電場作用下移動(dòng)，在絕緣介質(zhì)內(nèi)部形成（斷裂）微導(dǎo)電絲，使存儲(chǔ)器可以在高電阻和低電阻之間可逆轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)“0”和“1”的存儲(chǔ)。
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阻變存儲(chǔ)器起源于1960年代，包括富士通、Weebit Nano、三星、夏普等公司對(duì)其展開了廣泛的研究。英飛凌此前宣布在下一代微控制器Aurix里使用臺(tái)積電的嵌入式阻變存儲(chǔ)器，其在臺(tái)積電的28納米節(jié)點(diǎn)上制造。
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在消費(fèi)類電子、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、工業(yè)、汽車電子、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，RRAM都將得到廣泛運(yùn)用。
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近期，國內(nèi)RRAM的研發(fā)和應(yīng)用也取得可喜的進(jìn)展。國內(nèi)頭部面板廠商維信諾已完成世界首顆采用嵌入式RRAM（阻變存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)技術(shù)AMOLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片的開發(fā)和認(rèn)證。該新型AMOLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片由維信諾與驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)公司昇顯微電子聯(lián)合開發(fā)，存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)公司?？莆㈦娮犹峁┘夹g(shù)支持。
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一直以來，AMOLED顯示屏都面臨顯示屏Mura（顯示亮度不均勻）的技術(shù)問題，而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，內(nèi)置SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）、OTP（一次性可編輯存儲(chǔ)器）加外置NOR Flash（閃存）的設(shè)計(jì)存在生產(chǎn)成本高、參數(shù)讀取速度慢等痛點(diǎn)。
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針對(duì)上述痛點(diǎn)，這顆采用嵌入式RRAM存儲(chǔ)技術(shù)的新型AMOLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片（RRAM阻變存儲(chǔ)器），集Demura SRAM、OTP和Flash三種功能于一體，通過器件本身電阻值的變化來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。新方案相比傳統(tǒng)方案存儲(chǔ)面積可縮減30%，同時(shí)取消了外置Flash，采用RRAM技術(shù)可隨時(shí)“原地”讀取數(shù)據(jù)，極大地降低了數(shù)據(jù)傳輸所帶來的消耗，真正實(shí)現(xiàn)降本增效。
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此外，悅芯科技和?？莆⑦_(dá)成戰(zhàn)略合作，成功開發(fā)了國內(nèi)首個(gè)基于睿科微RRAM IP的芯片量產(chǎn)測試方案，并已正式進(jìn)入量產(chǎn)。
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相變存儲(chǔ)器
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相變存儲(chǔ)器具有優(yōu)異的等比微縮能力、集成度高、讀寫速度快、循環(huán)壽命長、可實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有潛力的新興非易失存儲(chǔ)技術(shù)，有望作為存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存解決閃存和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器之間的內(nèi)存墻瓶頸，在存儲(chǔ)及內(nèi)存、人工智能等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
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相變存儲(chǔ)材料最早由Ovshinsky于1968年發(fā)現(xiàn)。相變存儲(chǔ)器采用硫系化合物為主的相變材料作為信息存儲(chǔ)介質(zhì)，在受熱的作用下，相變材料能在非晶體和晶體狀態(tài)之間實(shí)現(xiàn)快速、可逆轉(zhuǎn)換，高電阻的非晶態(tài)和低電阻的晶態(tài)即可用于存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)“0”和“1”。
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Intel和美光聯(lián)合研發(fā)的3D-Xpoint存儲(chǔ)技術(shù)即傲騰，兼具傳統(tǒng)DRAM、NAND的優(yōu)點(diǎn)，但是持續(xù)虧損，目前英特爾正在逐步淘汰基于3D-Xpoint技術(shù)的存儲(chǔ)產(chǎn)品。
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近日，新存科技公布國產(chǎn)新型 3D 存儲(chǔ)器，最高IO速度 3200MT/s，也是屬于相變存儲(chǔ)器。
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新存科技9月23日發(fā)布其自主研發(fā)的國產(chǎn)首款最大容量新型 3D 存儲(chǔ)器芯片 NM101。該新品采用先進(jìn)工藝制程結(jié)合三維堆疊技術(shù)，單芯片容量達(dá)64Gb。這款高速大容量芯片專為大數(shù)據(jù)時(shí)代設(shè)計(jì)，旨在滿足服務(wù)器、智能終端等領(lǐng)域?qū)Υ鎯?chǔ)容量和讀寫性能的嚴(yán)苛需求。
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新存科技官網(wǎng)公布 NM101 芯片的參數(shù)顯示，NM101采用SLC存儲(chǔ)單元類型，最高IO速度3200MT/s，總線位寬為×8，IO電壓為1.2V，支持0℃~+70℃運(yùn)行溫度。
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新存科技表示 NM101 基于新型材料電阻變化原理，支持隨機(jī)讀寫，相比同類產(chǎn)品讀寫速度均可提升10倍以上、壽命也可增加5倍，可搭配業(yè)界合作伙伴的控制芯片，應(yīng)用于企業(yè)級(jí)或消費(fèi)級(jí)高性能存儲(chǔ)產(chǎn)品的開發(fā)。
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據(jù)悉，作為純國產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，新存科技的3D PCM（相變存儲(chǔ)器）已經(jīng)處于產(chǎn)業(yè)化的前夜，新存科技與浙江安吉政府合作投建的1萬片/月產(chǎn)能的中試線目前正平穩(wěn)推進(jìn)，預(yù)計(jì)2025年即可投產(chǎn)。后續(xù)產(chǎn)線也在規(guī)劃中。
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鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器
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FeRAM鐵電存儲(chǔ)器是一種結(jié)合了非易失性和隨機(jī)存取特性的鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器（內(nèi)存）。這種存儲(chǔ)器在斷電的情況下能保留數(shù)據(jù)，不僅不需要備用電池，而且與EEPROM、FLASH等傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器相比，具有優(yōu)越的高速寫入、高讀寫耐久性和低功耗性能。可應(yīng)用于如汽車電子、安全芯片、可穿戴設(shè)備、人工智能等領(lǐng)域。
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鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器主要依靠存儲(chǔ)芯片中鐵電材料在電場下極化的翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)“0”和“1”的存儲(chǔ)，其極化狀態(tài)在撤掉電場后依然能保持穩(wěn)定，因此可以實(shí)現(xiàn)非易失性。鐵電材料于1920年由 Valasek發(fā)現(xiàn)，之后學(xué)界長期聚焦鈣鈦礦結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)鐵電材料，如BTO和PZT。近年來新發(fā)現(xiàn)的氟石結(jié)構(gòu)摻雜HfO2也具有鐵電性質(zhì)，其良好的可微縮性使其最近成為研究熱點(diǎn)。目前國內(nèi)外有數(shù)家公司和機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉿基鐵電存儲(chǔ)器的研發(fā)，包括富士通、英飛凌等。
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Fujitsu自1999年開始大規(guī)模生產(chǎn)FRAM，擁有超過21年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，不僅證明FRAM產(chǎn)品的市場認(rèn)可度，也展示Fujitsu在該領(lǐng)域的深厚技術(shù)積累和成熟生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。
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富士通半導(dǎo)體的FeRAM陣容包括16Kbit至4Mbit的SPI接口產(chǎn)品和4Kbit至1Mbit的I2C接口產(chǎn)品。電源電壓有3.3V工作和1.8V工作產(chǎn)品。封裝形式包括與EEPROM及串行閃存兼容的SOP，以及可穿戴設(shè)備用SON（Small Outline Non-leaded package）和WL-CSP（Wafer Level Chip Size Package）等超小型封裝形式的產(chǎn)品。同時(shí)，還有256Kbit至4Mbit的并行存儲(chǔ)器，使用TSOP或SOP封裝形式。在利用SRAM及數(shù)據(jù)保存用電池供電的應(yīng)用中，并行存儲(chǔ)器被用作進(jìn)一步降低能耗或減少電池的解決方案。
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磁阻存儲(chǔ)器
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磁阻存儲(chǔ)元件以磁性材料為信息存儲(chǔ)介質(zhì)，磁化方向固定的參考層和磁化方向可變的自由層由絕緣層隔離開。通過磁場調(diào)節(jié)上下兩層磁性層的磁化方向平行或者反平行來建立兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在反平行狀態(tài)時(shí)通過此器件的電子會(huì)受到比較大的干擾因此表現(xiàn)出較高的阻值；而在平行狀態(tài)時(shí)電子受到的干擾較小得到相對(duì)低的阻值，可分別用于存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)“0”和“1”。
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室溫隧穿磁阻效應(yīng)于1995年被發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了大量的研究，現(xiàn)在已經(jīng)在研發(fā)第二代電流驅(qū)動(dòng)型自旋轉(zhuǎn)移矩磁阻存儲(chǔ)器STT-MRAM。目前，Everspin、IBM、Spin Transfer Technologies、Qaulcomm、Samsung、Avalanche等公司正在研發(fā)垂直STT-MRAM產(chǎn)品，推進(jìn)磁阻存儲(chǔ)器的商業(yè)化。
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晶圓代工廠商GlobalFoundries 表示，MRAM技術(shù)為要求苛刻的應(yīng)用提供靈活的數(shù)據(jù)和代碼存儲(chǔ)解決方案。
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GF提供高可靠性的存儲(chǔ)器，確保極低的誤碼率，全面融入22FDX技術(shù)，實(shí)現(xiàn)MRAM的大規(guī)模量產(chǎn)，提供宏設(shè)計(jì)服務(wù)，特別關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)特性，如待機(jī)功耗優(yōu)化及深度睡眠快速喚醒時(shí)間等，支持耐極端溫度和輻射的設(shè)計(jì)，滿足物聯(lián)網(wǎng)、存儲(chǔ)和代碼應(yīng)用。