半導體進入下行周期,存儲作為半導體中舉足輕重的一個門類,尤為疲軟。因為通貨膨脹導緻 PC 産品銷售停滞、DRAM 供應過剩,DRAM 價格已經連續七個月下滑。所以,關于存儲,最近真的是沒有什麼好消息。
另一邊,新型存儲也一直不溫不火,各新型存儲技術優勢頗多,但真正商用還存在各種挑戰。
傳統存儲芯片技術和廠商在艱難中前行
半導體行業迎來下行周期,存儲廠商苦不堪言。從市場角度來看,第三季度,三大存儲廠商的銷售額都感受到了急劇下滑,三星電子的 DRAM 銷售額為 71.33 億美元,環比下降 34.2%;SK 海力士錄得 52.46 億美元,下降 25.3%;
美光科技錄得 43.5 億美元,下降 26.3%。而且 SK 海力士還預計将在第四季度出現虧損,這是 10 年來的首次。
雖說汽車存儲市場正在快速崛起,但相比之下,汽車存儲器市場依舊是很小的一部分,據 Yole 的最新報告,2021 年汽車存儲器市場僅占全球存儲器市場收入的 2.6%。
而且,汽車市場在質量、資格、可靠性、功能安全和供應壽命方面有特定要求,在 Yole 看來,汽車存儲器業務正迎來前所未有的挑戰和機遇。
從技術來看,在 " 存儲器 " 和 " 性能牆 " 兩大高牆之下,傳統存儲發展越來越吃力。由于工藝完整性、成本、單元洩漏、電容、刷新管理和傳感裕度方面的挑戰,存儲單元縮放正在放緩。
業界很早就關注到了傳統存儲在制程微縮上面臨的困境,繼續微縮将要花費更多時間、成本。但即使這樣,存儲巨頭們仍在先進技術上不斷追趕。
為了提高 NAND Flash 的容量,廠商們正在利用 3D 堆疊技術蓋高樓,拼層數。DRAM 領域則聚焦制程叠代,随着工藝來到 10nm 及以下,價格高昂的 EUV 光刻機和 3D 堆疊技術開始成為廠商們比拼的關鍵利器。
前不久,美光的 DRAM 技術 1β(1-Beta) 節點正式量産出貨,而三星和 SK 海力士還停留在 1α 階段。英特爾也重返了存儲市場,表示希望重新思考 DRAM 存儲器的架構,及與計算平台結合的基本面,以此來實現突破性的效能提升。
如今的 CPU、GPU 和各種 SoC 通常利用 SRAM(靜态随機存取存儲器)來處理數據緩存,即使是智能手機的通用處理器、圖形芯片和應用處理器也攜帶着巨大的緩存,雖然邏輯芯片可以随着工藝勉強擴展下去,但是 SRAM 單元卻一直落後。
台積電的一篇論文中表示,SRAM 的微縮似乎已經完全崩潰。
據 WikiChip 的報道,在今年的第 68 屆年度 IEEE 國際電子器件會議 ( IEDM ) 上,台積電談到其新的 N3 節點中高密度 SRAM 位單元大小根本沒有縮小,在 0.021μm? 處與他們的 N5 節點的 bitcell 大小完全相同。
然而,在 0.0199μm?,它隻有 5% 的縮放 ( 或 0.95 倍收縮 ) 。
也就是說,台積電的 N3B 和 N3E 雖都提供了 1.6 倍和 1.7 倍的芯片級晶體管縮放,但 SRAM 卻隻有 1 倍和 1.05 倍的縮放。
SRAM 的縮放進入極限不僅是台積電一家感受到了,英特爾最近宣布的 Intel 4 進程 SRAM 縮放比例已從曆史上的 0.5-0.6 倍放緩至 0.7-0.8 倍。所以可以看出,在 3nm 及以下節點按照傳統方式進行 SRAM 縮放似乎已經結束。
所以 SRAM 也進入了一個有趣的拐點,未來是尋找更好的替代品還是新的連接方式和新的晶體管。Anton Shilov 在他 2022 年 12 月 16 日發表的文章提到,由于 SRAM 單元區域擴展緩慢,CPU 和 GPU 等處理器可能會變得更加昂貴。就目前來說,唯一可行的方法是采用更多小芯片設計,并将較大的緩存分解為在更便宜的節點上制造的單獨芯片。
由于傳統存儲所面臨的技術挑戰,所以這幾年業界對新型存儲寄予厚望。各種新型存儲技術未啟用先火,各種優勢撲面而來,似乎要掀起一輪存儲的革命。
為何新型存儲還沒 " 出人頭地 "?
以 PCM、MRAM、ReRAM、FRAM 等為代表的新型存儲器技術,分别對應相變、磁變、阻變、鐵電,各有千秋,也因此集聚了不同陣營。但新興技術的市場應用有限,尚無法構成實質性替代。
PCM(相變存儲器)被業界公認為是工藝最為成熟的,PCM 比 NAND 擁有更快的寫入周期、更快的訪問時間、低功耗、可執行等優點,因此也成為未來最有望取代當前傳統存儲器的高速存儲介質。
PCM 在市場上的預期增長完全取決于美光與英特爾聯合開發的 3D XPoint 技術。
但随着美光于 2021 年 3 月退出該市場,再加上英特爾 Optane 内存的消亡,PCM 也隴上了一層陰霾。Optane 是相變存儲器(PCM)的一種變體,英特爾此前試圖用 PCM 來替代 NAND 閃存,但因為成本很高而以失敗告終。
PCM 陣營中還有意法半導體(ST),ST 搭載 ePCM 的 Stellar 車用 MCU 計劃于 2024 年量産。
不過,即使是英特爾和美光這樣的國際半導體制造商也很難讓 PCM 具有價格競争力,接下來是否還會有更多的企業追逐它也讓人有所懷疑。
MRAM(磁阻随機存取存儲器)因兼具 SRAM 的高速和 DRAM 的高密度,并且在性能和耐用性方面優于 NAND 閃存,以及微縮至 22 納米以下的潛力,相當适合應用在嵌入式記憶體的領域。
MRAM 已經存在多年,但它的采用一直很緩慢,部分原因是制造方面的挑戰,還因為芯片保存的數據相對較少。
MRAM 是三星、台積電先後投入研究的新型存儲産品。早在 2002 年,三星電子開始研究 MRAM,2019 年,三星電子推出了一款基于 28nm 的内置 MRAM 産品。
今年,三星電子在 IEDM 上以論文形式發表了下一代 MRAM 的相關研究開發成果,三星在 14nm FinFET 工藝中,采用了現有 28nm 工藝中的磁隧道結(MTJ),摘要稱,将 MTJ 縮小到 14 納米 FinFET 節點後,面積縮小了 33%,讀取時間加快了 2.6 倍。
另外,2022 年 6 月中旬,台灣工研院攜手台積電共同發表 SOT-MRAM 技術,該技術能在低電壓、電流的情況下,達到 0.4 納秒的高速寫入,并具備 7 萬億次的耐受度。
此外,瑞薩也在主攻 MRAM,其已在 22 納米工藝上實現高速 STT-MRAM。
上圖是三星 eMRAM bit-cell 陣列在 14nm 邏輯平台上的橫截面 TEM 圖(圖源:IEDM)
MRAM 的市場前景也被廣泛看好,日本東北大學國際集成電子研究中心(CIES)預計 MRAM 将在 AI 服務器和高性能計算機中發揮作用。據 IMARC Group 的報告,2022 年全球 MRAM 市場規模達到 4.271 億美元。
展望未來,IMARC Group 預計到 2028 年該市場将達到 45.25 億美元,2023-2028 年的增長率 ( CAGR ) 為 44.5%。
MRAM 出貨存儲容量的預計增長(來源:Coughlin Associates 和 Objective Analysis 估計)
ReRAM 的優勢主要體現在更高的耐用性、對環境的穩健性、低功耗和高速,而且另外很重要的一個優勢是 ReRAM 可以使用後端 ( BEOL ) 制造進行整合,從而提高集成靈活性。
ReRAM 的商用化似乎正在加速。2022 年 11 月,美國晶圓代工廠 SkyWater 生産出第一批集成以色列半導體公司 Weebit 的嵌入式 ReRAM 的矽晶圓, Weebit Nano 的 ReRAM 封裝在一個 256 kb 陣列中,一個 RISC-V 微控制器,以及嵌入式系統應用程序所需的其他接口和外圍設備(如下圖所示)。
國内方面,昕原半導體、億鑄科技等也都推動基于 ReRAM 存儲介質的存算一體技術的商用,此前昕原半導體首款 28nm 制程 ReRAM 産品 SE-1 已正式向工控領域品牌客戶量産出貨。
Weebit Nano/SkyWater 的 ReRAM 測試芯片(圖源:Weebit Nano)
FRAM 的單位銷量似乎超過了所有其他新興存儲類型的總和,主要是富士通所帶來的出貨量,據悉,富士通的用于地鐵票價卡的 RFID 芯片中所使用的 FRAM 芯片已經出貨了至少 40 億顆。FRAM(鐵電 RAM)的優勢體現在,相比競争對手 EEPROM 和 MRAM,其消耗的有源電流要小得多,如下圖所示。
在 FRAM 商用方面,英飛淩最近推出了 8 Mb 和 16 Mb Excelon FRAM 存儲器,可滿足汽車和工業系統的非易失性數據記錄要求。或許現在的汽車行業的發展需求下,FRAM 能夠施展拳腳,因為這些系統與外太空一樣是惡劣的操作環境,需要額外的保護以防止數據丢失。
除了英飛淩,FRAM 的擁抱者還有富士通、羅姆、德州儀器等。
FRAM 與競争對手 EEPROM 和 MRAM 的對比(圖源:英飛淩)
盡管可商用,但 FRAM 并沒有被廣泛認知和追捧,這主要是因為,FRAM 中包含元素周期表中的鉛和铋,很容易污染工廠,它在曆史上很難與标準 CMOS 工藝集成,在較小的工藝中也不能很好地微縮。
因此,FRAM 作為非易失性嵌入式片上存儲器的用途有限。不過據業界的研究和努力,氧化铪和氧化锆也可以配制成表現出鐵電特性,而且這些材料由于其他原因已經在晶圓廠中使用,或許 FRAM 的未來還是可以一搏。
所以總體看下來,新型存儲技術優勢頗多,挑戰也不少,未來新興的存儲技術将何去何從,還要看各家廠商的推動和努力。
結語
存儲芯片是長期高成長的賽道,占據半導體三分之一的江山,隻要有數據就離不開存儲。所以無論是傳統存儲還是新型存儲,在當下 5G、AI 和汽車的新發展需求下,似乎都有不同的發展契機和挑戰。接下來,存儲市場将必定迎來百花齊放,百家争鳴的格局。