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中国半导体存储行业未来50年发展路线图

导读: 存储器的发展几乎是伴随着电子计算机的发展历程而来的。在发展之初,采用汞线延迟线来进行信息的存储和读写,之后采用磁性材料,再到光学材料等存储器设备,尽管获得了较大的改善,但是仍然面临体积庞大、性能有限的挑战,对应用领域的拓展造成了不小的阻碍。

  OFweek电子工程网讯 存储器产业芯片国产化之路迈出的重要一步: 芯片国产化是中国政府在信息安全自主可控政策领域的实践领域之一,作为信息技术的基础产业,半导体集成电路持续叐到国家政策的扶持,近期仍国家层面到地方层面的政策及资本的持续也是持续丌断。存储器是集成电路产业的基础产品之一,产品的成熟度和产业的觃模敁应均较为显著,而目前中国大陆地匙的企业在相关领域内的仹额仌然较低,通过国家政府层面的大觃模投资有机会快速切入相关领域,也是芯片国产化之路迈出的可靠而重要的一步。

  全球产业处于周期性底部有利于新生力量的崛起: 尽管仍2016年第事季度起存储器行业的产品价格出现了回升,但是行业整体仌然处二周期性底部的位置,市场主要厂商三星、海力士、美先等在资本开支产能扩张方面仌然较为谨慎,而我们讣为在智能秱劢终端需求、数据中心服务器需求以及固态影片需求带劢的情冴,DRAM和NAND Flash市场均有逐步仍供过二求向供给丌足转秱的趋势,而在这种行业周期性底部有转发趋势的情冴下,中国大陆地匙的逆周期投资有望推劢国内厂商成为市场内崛起的新生力量。

  一、存储器是系统的核心基础部件

  存储器(Memory),顾名思义是在电子计算机系统中用于存放信息的器件。任何电子计算机系统在运行的过程中,包括输入的原始数据、程序本身、中间运行结果和最终运行结果都需要保存在存储器中。存储器是电子系统的基础核心部件之一,是系统正常运作的保障。

  (一)存储器的发展伴随着电子计算机的历程

  存储器的发展几乎是伴随着电子计算机的发展历程而来的。在发展之初,采用汞线延迟线来进行信息的存储和读写,之后采用磁性材料,再到光学材料等存储器设备,尽管获得了较大的改善,但是仍然面临体积庞大、性能有限的挑战,对应用领域的拓展造成了不小的阻碍。

  得益于集成电路技术的发展与成熟,采用半导体集成电路方式制造的存储器IC芯片获得了广泛的采用。随着在存储介质的演进,设计架构的更新和工艺水平的提高,IC存储器在存储密度、读写速度等性能持续提高,同时能耗、单位存储单元成本持续降低,IC存储器的发展也充分享受摩尔定理集成电路演进历程。

  图1:存储器的収展历秳

  中国半导体存储行业未来50年发展线路图

  纵观整个发展历程我们看到,1967年科技巨头IBM提出DRAM规格以及之后的持续演进使其成为了目前包括PC、服务器、手机、车载等终端产品内存行业的主要技术。1984年舛冈富士雄博士提出了Flash Memory技术以及之后演进中Intel提出的NOR和东芝提出的NAND架构形成了目前外设存储器的主流。上述两项技术的提出对于现代的半导体集成电路存储器产业形成了深远的影响。

  (二)半导体存储器芯片的核心分类:DRAM和Flash Memory

  从上述的研究我们可以看到,存储器经历了与电子计算机几乎一样长的发展历程,包括磁盘、光盘、IC工艺材料等不同产品已经形成了在不同应用领域中成熟有效的应用分工。存储器的分类方式很多,按照存储介质分类来说,通常可以分为半导体IC存储器、磁性存储器和光存储器等,在本报告中,我们聚焦在半导体IC存储器,关注存储器芯片行业。

  半导体存储器按照断电后数据信息是否能够保留可以分为两个大类,易失性存储器和非易失性存储器,前者在外部电源切断后,存储器内的数据也随之消失,代表产品是DRAM,而后者则能够保持所存储的内容,代表产品是FlashMemory。

  图2:半导体存储器的分类

  中国半导体存储行业未来50年发展线路图

  DRAM作为易失性存储器产品的代表,主要用于各类PC、服务器、工作站的内部存储单元,凭借其在存取速度和存取容量方面的折衷性能,实现在核心处理器和外部存储器之间形成缓存空间。随着移动终端的迅速发展,DRAM在智能手机中的应用规模也在持续加大。

  Flash Memory作为非易失性存储器的代表,主要应用于存储卡、U盘、SSD固态硬盘、移动终端的内部嵌入式存储器等,其可快速读写不丢失以及可集成的特性,使得其在移动终端及便携式移动存储器产品中有着广泛的应用场景。

  (三)未来存储器芯片的方向:相变存储器(PCM)

  传统的半导体集成电路存储器无论是DRAM还是Flash,其基本原理均是通过对于电荷的多寡形成的电势高低来进行“0”和“1”的判断,进而实现信息的存储。产业对于存储器结构和原理的研究始终没有停歇,近期,各研究机构及资本市场热点关注相变化存储器(PhaseChange Memory,简称PCM)。该存储器非易失真原理与Flash的浮动栅锁住电荷原理不同,是通过施加特定电流使硫族化物玻璃(目前多数为GeSbTe合金)在晶态和非晶态两相之间改变,由于晶态和非晶态的电阻特性不同,电路通过读取不同电阻值来获取存储的数据。

  如图所示,施加强电流并快速淬火,使硫系化合物温度升高到熔化温度以上,经快速冷却,可以使多晶的长程有序遭到破坏,实现晶体向非晶体的转换,通常用时不到100ns;施加中等强度的电流,硫系化合物的温度升高到结晶温度以上、熔化温度以下,并保持一定的时间,实现晶体向非晶体的转换。

  图3:晶体不非晶体相于转换

  中国半导体存储行业未来50年发展线路图

图4:GeSbTe加热原理

  中国半导体存储行业未来50年发展线路图

  PCM可以直接改变操作位的数据而不需要单独进行擦除步骤,减少了写操作的开销,并且直接读取电阻值判断大小,有效提高读取速度。由于Flash的浮动栅存储结构尺寸难以缩减,这是因为浮动栅级的厚度是一定的,而PCM不需要存储电子元件,因此它没有电子元件存储的扩展问题,尽管同样采用了半导体平面化工艺来实现器件的生产加工,PCM的存储密度可以做得更大。

  表1:存储器产品类型的特性比较

  中国半导体存储行业未来50年发展线路图

  上表中可以看出与DRAM相比,尽管读写速度略低,但是PCM是一种非易失性的存储器,而与NANDFlash相比,PCM则在读写速度和可靠性方面具有优势,并且有很小的理论工艺制程可以做到更高的存储密度。随着PCM的技术进步带来单位成本的下降,与DRAM和Flash产品可以形成优势互补,甚至做到超越,目前PCM已经被部分厂商应用于实际的产品中,是一项具备未来发展潜力的技术。

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责任编辑:Trista
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