原创 芯存万物：存储器浅析

山雨欲来风满楼，英特尔7nm延期半年的锅由总工默蒂 · 伦杜钦塔拉(Murthy Renduchintala)来背，Sub-7nm制程之于处理器（CPU）市场的重要性不言而喻。处理器的主要组成是晶体管（Transistor），主流已采用FinFET技术工艺与制程，未来Sub-3nm将改用GAA技术；而存储器（Memory）的主要组成是场效应管（MOSFET），主流是采用CMOS技术工艺与制程。英特尔布局的新兴存储技术是3D XPoint。

在Objective Analysis和Coughlin Associates联合发布的《新兴存储找到了方向》里提到，新兴存储技术正在迅速发展，预计2030年的市场规模将达360亿美元。其仰赖两轮驱动：首先是突破当今领先的嵌入式存储技术SRAM和NOR Flash技术至Sub-28nm出现瓶颈，被磁性RAM（MRAM）、自旋隧道扭矩RAM（STT MRAM）或其他新兴存储技术取代的趋势不可避免；第二个因素是服务器领头羊英特尔采用基于3D XPoint的Optane技术，并取名为“Optane DC持久存储模块” ，未来有望抢占更多的服务器DRAM市场份额。

3D XPoint存储技术还有一个玩家美光，本质是相变技术，是一种相变存储器（PCM），耐用且性能比NAND好，尽管比DRAM慢但密度却比DRAM高。英特尔早在2017年就推出了采用Optane技术（基于3D XPoint）的NVM SSD，也在2019年开始销售Optane DIMM模块。3D XPoint存储器技术的售价低于它所取代的DRAM，所以预计到2030年，3D XPoint存储器收入将飙升至超过250亿美元，占据新兴市场近七成。

除了相变存储器（PCM）/ 3D XPoint技术，磁性RAM（MRAM）、自旋隧道扭矩RAM（STT MRAM）、电阻式RAM（ReRAM）、碳纳米管RAM（NRAM）、铁电RAM（FRAM）等许多尚未成熟的新兴技术，各有优劣。全球产业链也有超过百余家公司，覆盖芯片原始设计商Fabless、技术许可方IP、晶圆代工厂Foundry、EDA工具和设备制造商以及新兴原材料商，供应链的每个环节缺一不可协同创新。尚不清楚哪种存储技术将成为未来的超级大赢家。

电子工业领域，非易失性技术与CMOS逻辑制程结合的嵌入式存储器举足轻重。磁性RAM（MRAM）和自旋隧道扭矩RAM（STT MRAM）允许更高的容量，且制造工艺与常规CMOS工艺具有兼容性，因此STT MRAM可以直接构建在CMOS逻辑晶圆之上，也可以在CMOS制程集成。比起Flash与常规CMOS工艺不兼容更具优势。STT MRAM替代多晶体管SRAM的优势在于可以通过提高密度减少晶体管数，从而提供低成本节能的解决方案，更适用于在消费类电子和SoC产品中用作嵌入式高速Cache存储器。MRAM $ / GB的成本已接近SRAM，MRAM和STT MRAM的发展速度将促使其价格逐渐降低，替换Flash、SRAM以及部分DRAM渐成可能。

所以《新兴存储找到了方向》里预测，MRAM / STT-MRAM 2030年的营收将增长到超过100亿美元，是2019 MRAM收入的近300倍。而电阻式RAM（ReRAM）、铁电RAM（FRAM）和碳纳米管RAM（NRAM）技术应用方向不约而同的选择了长尾或新兴市场。

新兴存储技术想要在占领当今主流技术（Flash，SRAM和DRAM）的既有市场中抢份额，难度不小。所以都是从取代分立存储芯片和SoC中的嵌入式存储器做起：包括ASIC，微控制器，甚至是计算处理器中的缓存。对于芯片从业者或应用工程师来讲，新兴的存储技术极为有趣。新兴的人工智能（AI）和物联网（IoT）芯片开始将其应用在嵌入式存储器。万物上云也促进了存储架构之变，新兴的存储技术除了更低价，主要是功耗、性能更更多方面的优化，逐步替代当今主流技术的趋势也不可逆。这种趋势将带来颠覆和挑战，也随之而生巨大的竞争与机会。

新兴的存储技术有许多都需配套新的材料和工艺，从而推动了传统CMOS逻辑工厂对新设备和工具的需求。晶圆代工厂Foundry和研究机构也是推进新兴存储技术普及和发展的重要一环，芯片设计方、原材料商、生产的晶圆代工厂、封测厂、原材料方和产业链相关企业都得密切关注新兴存储技术的发展和趋势，否则将在竞争中落后或被淘汰。

这里以用于传统嵌入式存储器和DRAM替换的碳纳米管RAM（NRAM）为例，在晶圆厂中，新兴沉积工艺制成碳纳米管，取代传统硅。挑战在于纳米管在工艺制程里更易变和错位，有三个因素影响：首当其冲是碳纳米管的纯度。原材料中的碳纳米管有很多可变性，提纯要求甚高，获得具有高纯度的单壁半导体碳纳米管相对而言还很难；第二和第三个挑战在于晶体管的集成难度，即晶体管性能的可变性和稳定性。碳纳米管是圆柱形结构，坚固且导电，比DRAM快，也像闪存一样具有非易失性。实现取代传统硅还有很长的路要走。

中国科学院院士、北京大学信息科学技术学院电子学系教授彭练矛团队最近在国际顶级科学期刊《科学》上发表成果，首次在实验上显示出碳纳米管器件和集成电路较传统技术的性能优势。“碳纳米管要真正实现产业化，材料问题是最大限制。”彭练矛教授团队核心成员、北京大学电子学系碳基电子学研究中心张志勇教授介绍，这一系列成果制备出了超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜，“真正显示出碳纳米管在集成电路方面的潜力和性能优势”。

不过，在现阶段设计高产量嵌入式非易失性存储器（eNVM）产品尚且面临许多挑战，除了制造工艺、材料以及针对特定行业应用的优化改善等，还包括单元级和集成级的可靠性、可变性、良率、新型结构与架构等。技术创新是不曾止步的，下一代存储技术哪一种更流行的答案留给时间去印证和说明。

引用IC Insights最新调研数据，当今的整个存储器市场规模1104亿美元里，DRAM产品占比约53%，NAND Flash产品占比约42%，Nor Flash占比仅有3%左右；新兴存储技术的产品仅占2%。

2020存储器市场规模预测（IC Insights）

DRAM根据下游应用市场可分为：计算机(PC)、服务器(Server)、移动终端(Mobile)、图像处理(Graphic)和消费电子(Consumer)。同为闪存的NAND FLASH的NOR FLASH的区别主要在于应用领域不同，NAND FLASH主要应用于智能手机、SSD、SD卡等高端大容量产品，而NOR FLASH主要应用于功能机、MP3、USB key、DVD等低端产品，还有汽车电子、智能机手机中TDDI、AMOLED中的嵌入式存储器。

 存储芯片作为电子产品的数据仓库，不可或缺。存储器自始至终也是拍明芯城的热销品类之一。拍明芯城作为快速撮合的元器件交易平台，除了持续为客户提供更全的商品、更优的价格和更广泛的信息，也在不断引进新的国产品牌，为电子工程师的设计推荐中国芯，发挥桥梁纽带作用，助力中国芯发展。