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存储芯片,没有好消息!

存储芯片,没有好消息!

科技

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感受到了急剧下滑,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。



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的革命。


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 (BEOL) 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。

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