新型存儲(chǔ)器市場(chǎng)崛起，本土企業(yè)聚焦“國(guó)產(chǎn)替代”

在過(guò)去的幾年里，我們看到全球?qū)ρ邪l(fā)和生產(chǎn)的大量投資，世界各國(guó)政府通過(guò)直接投資和企業(yè)激勵(lì)措施對(duì)這一領(lǐng)域給予了前所未有的關(guān)注。世界經(jīng)濟(jì)顯然將半導(dǎo)體視為一個(gè)具有越來(lái)越重要戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域。

盡管經(jīng)濟(jì)逆風(fēng)，但到 2023 年，我們將看到公共和私人來(lái)源對(duì)半導(dǎo)體研究和生產(chǎn)的持續(xù)投資。SEMI 報(bào)告稱(chēng)，2020 年、2021 年和 2022 年總共有 57 座新晶圓廠開(kāi)工建設(shè)。這些投資需要時(shí)間才能成熟為實(shí)際的晶圓廠產(chǎn)能，但我們已經(jīng)開(kāi)始看到一些最早的投資取得成果。對(duì)于為高級(jí)片上系統(tǒng) (SoC) 提供技術(shù)的公司來(lái)說(shuō)，所有這些投資都是一個(gè)機(jī)會(huì)，例如 EDA、設(shè)備和嵌入式技術(shù)，以及類(lèi)似ReRAM 這樣的非易失性存儲(chǔ)器 (NVM) IP。

到 2023 年，我們還將看到電源管理 IC (PMIC)、音頻放大器 IC 和其他用于消費(fèi)、汽車(chē)、工業(yè)、電信和醫(yī)療應(yīng)用的高壓設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的功能集成度加快。從歷史上看，與數(shù)字設(shè)計(jì)（如 130 納米和 180 納米）相比，此類(lèi)模擬/混合信號(hào)設(shè)計(jì)采用更成熟的工藝幾何形狀制造，但不斷增加的功率和成本壓力意味著其中一些設(shè)計(jì)正在轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，從而有可能進(jìn)一步集成邏輯和內(nèi)存。通過(guò)在 65nm-40nm 雙極-CMOS-DMOS (BCD) 工藝中將高壓器件與邏輯門(mén)和 NVM 集成到單個(gè)芯片上，設(shè)計(jì)人員可以降低功耗并提高性能。

用于汽車(chē)、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能卡等應(yīng)用的微控制器中的系統(tǒng)集成也在加速。這些 MCU 必須支持日益復(fù)雜的編程，同時(shí)還要將成本和功耗保持在最低水平。通過(guò)在片上集成更多資源并消除外部存儲(chǔ)器組件，設(shè)計(jì)人員可以降低成本和功耗并提高系統(tǒng)速度和安全性。隨著這些設(shè)計(jì)向更小的工藝節(jié)點(diǎn)（最終為 28 納米和 22 納米）擴(kuò)展，這些設(shè)備的 NVM 必須能夠與其他片上組件一起擴(kuò)展，同時(shí)提供所需的性能、功率和成本。

然而，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，將閃存（傳統(tǒng)的 NVM）嵌入到 28nm 以下的 SoC 中在經(jīng)濟(jì)上并不可行。即使采用 3D 堆疊、高級(jí)封裝和小芯片架構(gòu)，嵌入式閃存也面臨著巨大的成本、功耗和安全挑戰(zhàn)。由于這些集成挑戰(zhàn)——以及閃存的其他挑戰(zhàn)——2023 年將有更多公司在高級(jí)節(jié)點(diǎn)上尋找 NVM 替代方案。

電阻 RAM (ReRAM)、相變存儲(chǔ)器 (PCM)、磁阻 RAM (MRAM) 和鐵電 RAM (FRAM) 等新興 NVM 提供了替代方案。與閃存相比，這些技術(shù)中的每一種都可以更輕松地?cái)U(kuò)展到高級(jí)幾何結(jié)構(gòu)，但每一種技術(shù)也都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在考慮成本、復(fù)雜性、功耗、性能和其他參數(shù)時(shí)，ReRAM 為各種應(yīng)用提供了最佳平衡。

對(duì)于沒(méi)有傳統(tǒng)閃存技術(shù)的新晶圓廠，向新 NVM 技術(shù)的過(guò)渡相當(dāng)簡(jiǎn)單，尤其是當(dāng) NVM 像 ReRAM 一樣集成在生產(chǎn)線后端 (BEOL) 時(shí)。因?yàn)樗窃?BEOL 集成的，所以每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)可以采用一次 ReRAM，然后它將適用于所有節(jié)點(diǎn)的變體。相比之下，閃存集成在前端 (FEOL)，因此它必須適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的每個(gè)變體。這種 FEOL 集成還意味著使用閃存的公司必須經(jīng)常進(jìn)行設(shè)計(jì)權(quán)衡，這可能會(huì)損害 FEOL 中集成的其他模擬組件，從而導(dǎo)致整體性能下降、尺寸增大和成本增加。在使用像 ReRAM 這樣的 BEOL NVM 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，這些權(quán)衡不是一個(gè)因素。

2023 年，我們將看到 ReRAM 技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入主流。臺(tái)積電和英飛凌等公司已宣布將 ReRAM 推向汽車(chē)市場(chǎng)，其他晶圓廠也開(kāi)始在其 IP 庫(kù)中采用 ReRAM。

突破傳統(tǒng)架構(gòu)，RRAM（ReRAM）存算一體有望提升計(jì)算系統(tǒng)能效比

開(kāi)發(fā)新計(jì)算系統(tǒng)源于幾點(diǎn)：數(shù)據(jù)指數(shù)增長(zhǎng)、功耗增加，當(dāng)前計(jì)算系統(tǒng)的性能限制也是原因之一。對(duì)此，業(yè)界提出“近內(nèi)存”或存內(nèi)計(jì)算（In-memory Computing），以解決數(shù)據(jù)中心的幾個(gè)問(wèn)題，包括數(shù)據(jù)傳輸“存儲(chǔ)墻”（Memory barrier）、高功耗和時(shí)間成本。涉及深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心需要巨大的計(jì)算能量，要求高可靠性、更出色容量、帶寬和性能的存儲(chǔ)器，從而衍生出關(guān)于新的非馮?諾依曼系統(tǒng)的新興存儲(chǔ)技術(shù)研究。

普遍認(rèn)為，RRAM（也即 ReRAM，阻變式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）、PCM（相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）和 MRAM（磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）等新型存儲(chǔ)器是下一代存儲(chǔ)技術(shù)路線，這些也是“存內(nèi)計(jì)算”的基礎(chǔ)技術(shù)，從技術(shù)特征來(lái)看，這些技術(shù)有哪些獨(dú)特性？

資深電子器件專(zhuān)家 Ray 表示，上述的下一代非易失性存儲(chǔ)器首先是作為存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存被提出的，在存儲(chǔ)層級(jí)中介于內(nèi)存和硬盤(pán)之間，因此，存儲(chǔ)的性能指標(biāo)對(duì)這些下一代非易失性存儲(chǔ)器仍然適用，如面積、功耗、讀寫(xiě)速度、集成性、成本等。此外，下一代非易失性存儲(chǔ)器也非常適用于存內(nèi)計(jì)算，而存內(nèi)計(jì)算又對(duì)這些存儲(chǔ)器提出了新的要求，如開(kāi)關(guān)比、多阻態(tài)、魯棒性等。RRAM、PCM 和 MRAM 等是目前研究較多的下一代非易失性存儲(chǔ)器，它們各有優(yōu)勢(shì)和不足。

MRAM 中的磁性材料磁化方向變化的時(shí)候，從磁性材料兩端電極上讀取得到的隧穿電流會(huì)發(fā)生變化，從而得到不同電阻，其編寫(xiě)速度快、重復(fù)編寫(xiě)周期長(zhǎng)，但其材料制備較復(fù)雜、開(kāi)關(guān)比較低、易受擾動(dòng)。

PCM 是利用相變材料在焦耳熱作用下，在結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換，從而呈現(xiàn)出不同阻態(tài)，其已經(jīng)在英特爾等公司的產(chǎn)品中使用，大規(guī)模集成性較好，但其寫(xiě)入速度較慢、寫(xiě)入能耗較大。

RRAM 主要依靠絕緣層在電場(chǎng)作用下，通過(guò)離子的遷移形成導(dǎo)電細(xì)絲，再通過(guò)控制導(dǎo)電細(xì)絲的通斷控制阻態(tài)，綜合來(lái)看在各個(gè)指標(biāo)上均具有比較優(yōu)異的性質(zhì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)密度高且支持片上3D 集成、開(kāi)關(guān)比可達(dá)1000以上、讀寫(xiě)速度和功耗適中，且其可通過(guò)控制導(dǎo)電細(xì)絲的形態(tài)形成多阻態(tài)，從而模仿生物大腦中神經(jīng)突觸功能，適合存內(nèi)計(jì)算和類(lèi)腦計(jì)算。

目前 RRAM 作為新興存儲(chǔ)器，其規(guī)模化制備的良率、成本、外圍控制電路等還需進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)，我們也很欣喜地看到國(guó)內(nèi)和國(guó)際的多家制造廠商已經(jīng)布局 RRAM 的制備，并且已完成晶圓級(jí) RRAM 芯片的流片。

在 RRAM 商業(yè)化之前，還需要解決哪些難題？Ray 說(shuō)道，同其他研究一樣，RRAM 的科研主要解決科學(xué)問(wèn)題，在進(jìn)行商業(yè)化的時(shí)候還有很多工程問(wèn)題需要解決，包括大規(guī)模制造、架構(gòu)和軟件的配合、應(yīng)用場(chǎng)景等，但目前來(lái)看，其很多科學(xué)問(wèn)題已經(jīng)經(jīng)過(guò)了大量的研究，取得了很多突破，這些技術(shù)問(wèn)題相信隨著時(shí)間的推移也將逐步解決。

物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)邊緣的人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）快速增長(zhǎng)，這些應(yīng)用端的計(jì)算系統(tǒng)的能效比的問(wèn)題日益突出，而 RRAM 作為一種較佳的解決方案，成為研究的焦點(diǎn)。

Ray 進(jìn)一步說(shuō)道，目前的計(jì)算架構(gòu)采用馮諾伊曼架構(gòu)，其存儲(chǔ)與計(jì)算單元分離，因此，在 AI 等計(jì)算應(yīng)用中，大量數(shù)據(jù)需要不斷在片下的內(nèi)存和片上的計(jì)算單元之間搬運(yùn)，然而由于內(nèi)存帶寬不足帶來(lái)的“存儲(chǔ)墻”問(wèn)題，導(dǎo)致計(jì)算延時(shí)和能耗較高，難以滿(mǎn)足 AI 模型的算力和功耗需求。存算一體技術(shù)將存儲(chǔ)單元與計(jì)算單元融合，在存儲(chǔ)器內(nèi)利用物理定律進(jìn)行計(jì)算，避免了“存儲(chǔ)墻”問(wèn)題，極大地降低了數(shù)據(jù)搬運(yùn)的能耗和延時(shí)，并提升了計(jì)算的能效比。基于 RRAM 的存算一體目前是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)和前沿，其主要實(shí)現(xiàn)方式分為兩種，即模擬式存算一體和數(shù)字式存算一體。

模擬式存算一體利用了 RRAM 的模擬式阻態(tài)特性，通過(guò)電導(dǎo)存儲(chǔ)多比特?cái)?shù)據(jù)。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較廣泛的矩陣乘積運(yùn)算為例，其電導(dǎo)值存儲(chǔ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，輸入為電壓值，利用歐姆定律完成乘法，得到電流值，然后陣列中同一條數(shù)據(jù)線上的電流根據(jù)基爾霍夫電流定律相加，從而完成乘加運(yùn)算。模擬式存算一體可以達(dá)到較高的存儲(chǔ)密度，但其對(duì)環(huán)境噪聲和溫度較敏感，運(yùn)算精度較低，主要適合低精度、小算力的應(yīng)用場(chǎng)景。

而數(shù)字式存算一體中，其每個(gè) RRAM 只存儲(chǔ)一比特?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)乘法運(yùn)算得到電流后再經(jīng)過(guò)數(shù)字電路進(jìn)行后續(xù)加法等運(yùn)算，此種方法雖然存儲(chǔ)密度低于模擬式存算一體，但其優(yōu)勢(shì)是在保證計(jì)算能效比的前提下，支持高精度、大算力的運(yùn)算，提高計(jì)算的魯棒性，從而極大地拓展了存算一體的應(yīng)用場(chǎng)景。

相比于 CMOS 器件，目前 RRAM 的局限性主要體現(xiàn)在編寫(xiě)周期有限上，因此目前 RRAM 主要適用于 AI 推理等操作，而相信隨著工藝的演進(jìn)，得到更高編寫(xiě)周期的 RRAM 也是非常有希望的。另一個(gè)局限性是 RRAM 阻值的波動(dòng)性，而此問(wèn)題在數(shù)字化存算一體中可以得到很好的解決。

在即將召開(kāi)的ISSCC 2023上，存算一體相關(guān)的論文至少有21篇，占了整個(gè)ISSCC錄用論文的10%。而從技術(shù)路徑來(lái)分類(lèi)，純模擬的存算一體在session 7 （SRAM存算一體Macro）中只有2篇，其余均是數(shù)字。數(shù)字化技術(shù)將成為“存算一體”的大趨勢(shì)。

新興領(lǐng)域存儲(chǔ)需求旺盛

存儲(chǔ)器是半導(dǎo)體的重要分類(lèi)，前者占據(jù)了后者約1/3的市場(chǎng)份額。據(jù)WSTS預(yù)測(cè)，到2022年，全球半導(dǎo)體存儲(chǔ)器市場(chǎng)份額將達(dá)到1554.58億美元，占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模比例為25.34%。另?yè)?jù)IDC預(yù)測(cè)，全球數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求總量將從2019年的41ZB增長(zhǎng)至2025年的175ZB，期間的增幅將超過(guò)4倍。

存儲(chǔ)器在3C（計(jì)算機(jī)、通訊、消費(fèi)電子產(chǎn)品）產(chǎn)品中應(yīng)用最多，可細(xì)分為五個(gè)市場(chǎng)。

?第一，5G基站。5G可歸類(lèi)在通訊領(lǐng)域，它的工作環(huán)境惡劣，且需全天候工作。比如，5G基站的BBU（基帶處理單元）和AAU（有源天線單元)）上，都有導(dǎo)入高性能、高可靠性SLC NAND Flash。

?第二，汽車(chē)電子。汽車(chē)的儀表盤(pán)、ADAS、充電樁、V2X等系統(tǒng)或部件，都需要小容量的存儲(chǔ)器件來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，目前一些存儲(chǔ)供應(yīng)商的NOR Flash和NAND Flash已經(jīng)應(yīng)用到車(chē)規(guī)市場(chǎng)。

?第三，物聯(lián)網(wǎng)。近幾年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)小容量存儲(chǔ)器需求大，除了物聯(lián)網(wǎng)MCU之外，隨著穿戴市場(chǎng)的興起，藍(lán)牙耳機(jī)、智能手環(huán)/手表均有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的需求，推動(dòng)了NOR Flash和NAND Flash的發(fā)展。

?第四，大數(shù)據(jù)中心。大數(shù)據(jù)中心會(huì)使用大容量的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)海量的數(shù)據(jù)。

?第五，人工智能。人工智能一般也會(huì)使用大容量存儲(chǔ)器，該技術(shù)對(duì)先進(jìn)存儲(chǔ)器的發(fā)展有推進(jìn)作用。

再觀察國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)器供應(yīng)商信息。對(duì)比國(guó)外存儲(chǔ)器供應(yīng)商，比如三星、SK海力士、美光等大廠，它們都采用IDM模式，這與它們的公司演進(jìn)有關(guān)，可能部分封測(cè)環(huán)節(jié)可選擇代工，但主要的生產(chǎn)制造掌握在自己手里。由于國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)行業(yè)的發(fā)展時(shí)間較短，有許多存儲(chǔ)企業(yè)還處于Fabless階段，包括了兆易創(chuàng)新、東芯半導(dǎo)體等。