誰是DRAM的替代者？下一代DRAM，關(guān)注什么？

長期以來，人們一直期望持久內(nèi)存會(huì)帶來計(jì)算范式的轉(zhuǎn)變，但這不太可能很快發(fā)生。在最近的一次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會(huì) (SNIA) 的業(yè)內(nèi)人士表示有信心新技術(shù)將取代 DRAM 等現(xiàn)有內(nèi)存技術(shù)，但在本十年末之前可能不會(huì)出現(xiàn)。

SINA的 Arthur Sainio、Tom Coughlin 和 Jim Handy 在回答媒體和行業(yè)觀察人士的問題時(shí)表示，持久內(nèi)存已經(jīng)與現(xiàn)代 DRAM 技術(shù)達(dá)到的速度相匹配，SK Hynix 和 Micron 的鉿鐵電體就證明了這一點(diǎn)。然而，他們無法直接回答哪些新興內(nèi)存技術(shù)將最終取代客戶端 PC 和服務(wù)器中的 DRAM。

雖然鐵電存儲(chǔ)器以寫入周期快而聞名，但不能保證它最終會(huì)占上風(fēng)。這是因?yàn)?MRAM、FERAM 和 ReRAM 等多種新型內(nèi)存技術(shù)都在競相取代 SRAM、NOR 閃存和 DRAM 等現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。

專家表示，MRAM 相對(duì)于競爭對(duì)手具有重大優(yōu)勢，因?yàn)槠渥x取速度在不久的將來“可能會(huì)與”DRAM 速度相媲美。自旋軌道扭矩和壓控磁各向異性等新技術(shù)也減少了 MRAM 的寫入延遲，使其成為有朝一日可能取代 DRAM 的主要候選技術(shù)之一。

然而，從 DRAM 過渡到持久內(nèi)存的一大障礙是制造成本。雖然 DRAM 的生產(chǎn)成本相對(duì)較低，但持久性內(nèi)存可能需要數(shù)年時(shí)間才能在價(jià)格方面變得具有競爭力。

阻礙持久內(nèi)存采用的另一個(gè)問題是它目前使用 NOR 閃存和 SRAM 接口而不是 DDR。然而，這種情況在未來可能會(huì)改變，因?yàn)椤叭魏蝺?nèi)存技術(shù)都沒有與任何類型的總線緊密耦合的天生特征?！?/p>

持久內(nèi)存，顧名思義，即使沒有電源也可以保留內(nèi)容，這使其成為某些應(yīng)用中的巨大資產(chǎn)。然而，專家們認(rèn)為，盡管其好處顯而易見，但在不久的將來其廣泛采用仍存在許多障礙。就目前情況而言，我們可能不會(huì)在 2030 年代初之前過渡到新技術(shù)，“但可能會(huì)晚得多?！?/p>

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下一代DRAM，關(guān)注什么？

在內(nèi)存市場“寒冬”期間，除了人工智能服務(wù)器和汽車電子等一些特定應(yīng)用之外，對(duì) DRAM 位的需求仍然疲軟。特別是，自 2022 年底以來生成式 AI 應(yīng)用（例如 ChatGPT）的興起推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心市場對(duì)高速內(nèi)存技術(shù)（即 DDR5 DRAM 和高帶寬內(nèi)存 (HBM)）的需求。

為了利用新的生成式 AI 浪潮并加速市場復(fù)蘇，三星、SK 海力士和美光開始轉(zhuǎn)移更多晶圓產(chǎn)能以抓住 HBM 機(jī)會(huì)，導(dǎo)致整體比特生產(chǎn)放緩并加速向供應(yīng)不足的轉(zhuǎn)變對(duì)于非 HBM 產(chǎn)品。預(yù)計(jì)到 2024 年，HBM 晶圓總產(chǎn)量將同比增長 100% 以上，達(dá)到約 150 kwpm。

在人工智能計(jì)算強(qiáng)勁需求的推動(dòng)下，HBM 的增長將在很大程度上超過整個(gè) DRAM 市場。在 2023 年比特出貨量出現(xiàn)令人印象深刻的增長（同比增長 93%）之后，HBM 比特預(yù)計(jì)將在 2024 年（同比增長 147%）和未來五年（復(fù)合年增長率約 45%23-29）繼續(xù)強(qiáng)勁增長；相比之下，數(shù)據(jù)中心 DRAM 位的 CAGR23-29 約為 25%。

就收入而言，HBM市場有潛力從2022年的約27億美元增長到2024年的約140億美元，分別相當(dāng)于DRAM總體收入的約3%和約19%。

面向未來的DRAM技術(shù)

目前正在開發(fā)4F2 DRAM，與現(xiàn)有的6F2結(jié)構(gòu)相比，芯片面積減少約30%，且無需使用更小的光刻節(jié)點(diǎn)。此外，從 2027 年開始引入 4F2 單元后，將采用 CMOS 鍵合陣列 (CBA) DRAM 架構(gòu)，其中外圍電路和存儲(chǔ)器陣列在不同晶圓上加工，然后通過晶圓間混合鍵合堆疊在一起。

HBM 還需要混合鍵合來繼續(xù)提高內(nèi)存帶寬和功率效率，并最大限度地減小 HBM 堆棧厚度。我們預(yù)計(jì)混合鍵合將從 HBM4 代（~2026 年）開始采用，該一代將采用每堆棧 16 個(gè) DRAM 芯片，接口寬度增加 2 倍，高達(dá) 2,048 位。

盡管目前仍在尋找發(fā)展道路，但單片 3D DRAM 是最重要的長期擴(kuò)展解決方案。3D-DRAM 開發(fā)的許多關(guān)鍵方面尚不清楚，前進(jìn)戰(zhàn)略也尚未確定。根據(jù)技術(shù)論文和專利申請(qǐng)，DRAM公司正在探索實(shí)現(xiàn)單片3D-DRAM的許多可能途徑，其中包括帶有水平電容器的1T-1C單元，以及無電容器選項(xiàng)，例如增益單元（2T0C）或1T-DRAM （例如，基于浮體效應(yīng)）。2D 到 3D DRAM 的轉(zhuǎn)變將引發(fā) DRAM 行業(yè)的重大變革，本質(zhì)上可以模仿 3D NAND 的歷史。我們當(dāng)前的市場模型假設(shè) 3D DRAM 將在 2030 年左右上市，并需要大約五年時(shí)間才能達(dá)到 10 mwpy（占 2035 年預(yù)測 DRAM 晶圓產(chǎn)量的 38%）。

HBM 領(lǐng)導(dǎo)權(quán)之爭必將升級(jí)

自 2013 年以來，SK 海力士一直是 HBM 開發(fā)和商業(yè)化的先驅(qū)，目前以約 55% 的收入份額領(lǐng)先 HBM 市場，其次是三星，約占 41%。美光在 2020 年之前明顯缺席 HBM。作為 HBM 業(yè)務(wù)的后來者，這家美國公司需要縮短上市時(shí)間，為此，他們將跳過 HBM3 代，直接推出 HBM3E 產(chǎn)品（又名 HBM3 Gen2） ）。

用于 DRAM 邏輯集成的先進(jìn)封裝技術(shù)和 DRAM 微縮替代傳統(tǒng)光刻微縮技術(shù)將成為中國企業(yè)未來幾年研發(fā)活動(dòng)的重點(diǎn)。這些途徑目前是開放的——現(xiàn)階段不存在因商業(yè)限制而造成的重大障礙——中國將遵循這些途徑，在不使用受限制的前沿設(shè)備的情況下開發(fā)高性能人工智能芯片。*通過利用超摩爾解決方案結(jié)合了邏輯和存儲(chǔ)，中國將繼續(xù)在各個(gè)領(lǐng)域爭奪技術(shù)霸主地位，其中關(guān)鍵領(lǐng)域是人工智能計(jì)算。

審核編輯：劉清