存储芯片，“硬不起来”

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），原标题《存储芯片，没有好消息》，作者：杜芹DQ，题图来自：视觉中国

半导体进入下行周期，存储作为半导体中举足轻重的一个门类，尤为疲软。因为通货膨胀导致PC产品销售停滞、DRAM供应过剩，DRAM价格已经连续七个月下滑。所以，关于存储，最近真的是没有什么好消息。另一边，新型存储也一直不温不火，各新型存储技术优势颇多，但真正商用还存在各种挑战。

传统存储芯片技术和厂商在艰难中前行

半导体行业迎来下行周期，存储厂商苦不堪言。从市场角度来看，第三季度，三大存储厂商的销售额都急剧下降，三星电子的DRAM销售额为71.33 亿美元，环比下降34.2%；SK海力士录得52.46亿美元，下降25.3%；美光科技录得43.5亿美元，下降 26.3%。而且SK海力士还预计将在第四季度出现亏损，这是10年来的首次。

虽说汽车存储市场正在快速崛起，但相比之下，汽车存储器市场依旧是很小的一部分。据Yole的最新报告，2021年汽车存储器市场仅占全球存储器市场收入的2.6%。而且，汽车市场在质量、资格、可靠性、功能安全和供应寿命方面有特定要求，在Yole看来，汽车存储器业务正迎来前所未有的挑战和机遇。

从技术来看，在“存储器”和“性能墙”两大高墙之下，传统存储发展越来越吃力。由于工艺完整性、成本、单元泄漏、电容、刷新管理和传感裕度方面的挑战，存储单元缩放正在放缓。业界很早就关注到了传统存储在制程微缩上面临的困境，继续微缩将要花费更多时间、成本。但即使这样，存储巨头们仍在先进技术上不断追赶。

为了提高NAND Flash的容量，厂商们正在利用3D堆叠技术盖高楼，拼层数。DRAM领域则聚焦制程迭代，随着工艺来到10nm及以下，价格高昂的EUV光刻机和3D堆叠技术开始成为厂商们比拼的关键利器。

前不久，美光的DRAM技术1β（1-Beta） 节点正式量产出货，而三星和SK海力士还停留在1α阶段。英特尔也重返了存储市场，表示希望重新思考DRAM存储器的架构及与计算平台结合的基本面，以此来实现突破性的效能提升。

如今的CPU、GPU和各种SoC通常利用SRAM（静态随机存取存储器）来处理数据缓存，即使是智能手机的通用处理器、图形芯片和应用处理器也携带着巨大的缓存，虽然逻辑芯片可以随着工艺勉强扩展下去，但是SRAM单元却一直落后。

台积电的一篇论文中表示，SRAM的微缩似乎已经完全崩溃。据WikiChip的报道，在今年的第68届年度IEEE国际电子器件会议（IEDM）上，台积电谈到其新的N3节点中高密度SRAM位单元大小根本没有缩小，在0.021μm²处与他们的N5节点的bitcell大小完全相同。

然而，在0.0199μm²，它只有5%的缩放（或0.95倍收缩）。也就是说，台积电的N3B和N3E虽都提供了1.6倍和1.7倍的芯片级晶体管缩放，但SRAM却只有1倍和1.05倍的缩放。

图源：WikiChip

SRAM的缩放进入极限不仅是台积电一家感受到了，英特尔最近宣布的Intel 4进程SRAM缩放比例已从历史上的0.5～0.6倍放缓至0.7～0.8 倍。所以可以看出，在3nm及以下节点按照传统方式进行SRAM缩放似乎已经结束。

所以SRAM也进入了一个有趣的拐点，未来是寻找更好的替代品还是新的连接方式和新的晶体管。

Anton Shilov在他2022年12月16日发表的文章提到，由于SRAM单元区域扩展缓慢，CPU和GPU等处理器可能会变得更加昂贵。就目前来说，唯一可行的方法是采用更多小芯片设计，并将较大的缓存分解为在更便宜的节点上制造的单独芯片。

由于传统存储所面临的技术挑战，所以这几年业界对新型存储寄予厚望。各种新型存储技术未启用先火，各种优势扑面而来，似乎要掀起一轮存储革命。

为何新型存储还没“出人头地”？

以PCM、MRAM、ReRAM、FRAM等为代表的新型存储器技术，分别对应相变、磁变、阻变、铁电，各有千秋，也因此集聚了不同阵营。但新兴技术的市场应用有限，尚无法构成实质性替代。

PCM（相变存储器）被业界公认为是工艺最为成熟的，PCM比NAND拥有更快的写入周期、更快的访问时间、低功耗、可执行等优点，因此也成为未来最有望取代当前传统存储器的高速存储介质。PCM 在市场上的预期增长，完全取决于美光与英特尔联合开发的3D XPoint技术。但随着美光于2021年3月退出该市场，再加上英特尔Optane内存的消亡，PCM也陇上了一层阴霾。

Optane是相变存储器（PCM）的一种变体，英特尔此前试图用PCM来替代NAND闪存，但因为成本很高而以失败告终。PCM阵营中还有意法半导体（ST），ST搭载ePCM的Stellar 车用MCU计划于2024年量产。不过，即使是英特尔和美光这样的国际半导体制造商，也很难让PCM具有价格竞争力，接下来是否还会有更多的企业追逐它也让人有所怀疑。

MRAM（磁阻随机存取存储器）因兼具SRAM的高速和DRAM的高密度，并且在性能和耐用性方面优于NAND闪存，以及微缩至22纳米以下的潜力，相当适合应用在嵌入式记忆体的领域。MRAM已经存在多年，但它的采用一直很缓慢，部分原因是制造方面的挑战，还因为芯片保存的数据相对较少。

MRAM是三星、台积电先后投入研究的新型存储产品。早在2002年，三星电子开始研究MRAM，2019年，三星电子推出了一款基于28nm的内置MRAM产品。今年，三星电子在IEDM上以论文形式发表了下一代MRAM的相关研究开发成果，三星在14nm FinFET工艺中，采用了现有28nm工艺中的磁隧道结（MTJ），摘要称将MTJ缩小到14纳米FinFET节点后，面积缩小了33%，读取时间加快了2.6倍。

另外，2022年6月中旬，台湾工研院携手台积电共同发表SOT-MRAM技术，该技术能在低电压、电流的情况下，达到0.4纳秒的高速写入，并具备7万亿次的耐受度。此外，瑞萨也在主攻MRAM，其已在22纳米工艺上实现高速STT-MRAM。

上图是三星eMRAM bit-cell阵列在14nm逻辑平台上的横截面TEM图（图源：IEDM）

MRAM的市场前景也被广泛看好，日本东北大学国际集成电子研究中心（CIES）预计MRAM将在AI服务器和高性能计算机中发挥作用。据IMARC Group的报告，2022年全球MRAM市场规模达到4.271亿美元。展望未来，IMARC Group预计到2028年该市场将达到45.25亿美元，2023～2028年的增长率 （CAGR）为 44.5%。

MRAM出货存储容量的预计增长（来源：Coughlin Associates 和 Objective Analysis 估计）

ReRAM的优势主要体现在更高的耐用性、对环境的稳健性、低功耗和高速，而且另外很重要的一个优势是ReRAM可以使用后端制造进行整合，从而提高集成灵活性。ReRAM的商用化似乎正在加速。

2022年11月，美国晶圆代工厂SkyWater生产出第一批集成以色列半导体公司Weebit的嵌入式ReRAM的硅晶圆， Weebit Nano的ReRAM封装在一个256 kb阵列中，一个RISC-V微控制器，以及嵌入式系统应用程序所需的其他接口和外围设备（如下图所示）。

国内方面，昕原半导体、亿铸科技等也都推动基于ReRAM存储介质的存算一体技术的商用，此前昕原半导体首款28nm制程ReRAM产品SE-1，已正式向工控领域品牌客户量产出货。

Weebit Nano/SkyWater的ReRAM测试芯片（图源：Weebit Nano）

FRAM的单位销量似乎超过了所有其他新兴存储类型的总和，主要是富士通所带来的出货量，据悉，富士通的用于地铁票价卡的RFID芯片中，所使用的FRAM芯片已经出货了至少40亿颗。FRAM（铁电RAM）的优势体现在，相比竞争对手EEPROM和MRAM，其消耗的有源电流要小得多，如下图所示。

在FRAM商用方面，英飞凌最近推出了8 Mb和16 Mb Excelon FRAM存储器，可满足汽车和工业系统的非易失性数据记录要求。或许现在的汽车行业的发展需求下，FRAM能够施展拳脚，因为这些系统与外太空一样是恶劣的操作环境，需要额外的保护以防止数据丢失。除了英飞凌，FRAM的拥抱者还有富士通、罗姆、德州仪器等。

FRAM与竞争对手EEPROM和MRAM的对比（图源：英飞凌）

尽管可商用，但FRAM并没有被广泛认知和追捧，这主要是因为，FRAM中包含元素周期表中的铅和铋，很容易污染工厂，它在历史上很难与标准CMOS工艺集成，在较小的工艺中也不能很好地微缩。

因此，FRAM作为非易失性嵌入式片上存储器的用途有限。不过据业界的研究和努力，氧化铪和氧化锆也可以配制成表现出铁电特性，而且这些材料由于其他原因已经在晶圆厂中使用，或许FRAM的未来还是可以一搏。

所以总体看下来，新型存储技术优势颇多，挑战也不少，未来新兴的存储技术将何去何从，还要看各家厂商的推动和努力。

结语

存储芯片是长期高成长的赛道，占据半导体三分之一的江山，只要有数据就离不开存储。所以无论是传统存储还是新型存储，在当下5G、AI和汽车的新发展需求下，似乎都有不同的发展契机和挑战。接下来，存储市场将必定迎来百花齐放，百家争鸣的格局。

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：杜芹DQ