存儲芯片行業(yè)展開新一輪技術(shù)升級競爭

幾家邏輯IC廠商之間的競爭使得7nm、5nm、3nm……制造工藝盡人皆知。但是人們不應(yīng)忽視存儲芯片廠商間的技術(shù)之爭同樣極其激烈：3D NAND堆疊已經(jīng)上看128層，DRAM工藝微縮已達1z（12-14nm），3D XPoint、ReRAM等新一代存儲技術(shù)被重點開發(fā)。技術(shù)升級一向是存儲芯片公司間競爭的主要策略。日前，筆者參加了美光科技舉辦的技術(shù)大會“Mircon Insight2019”，會上對存儲領(lǐng)域新的技術(shù)趨勢進行了相對深入的剖析。從此亦可窺見，存儲芯片大廠間的新一輪技術(shù)升級之爭正在展開。

技術(shù)升級加速

技術(shù)升級一向是存儲芯片公司間競爭的主要策略。存儲芯片具有高度標(biāo)準(zhǔn)化的特性，且品種單一，較難實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。這導(dǎo)致各廠商需要集中在工藝技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模上比拼競爭力。因此，每當(dāng)市場格局出現(xiàn)新舊轉(zhuǎn)換，廠商往往打出技術(shù)牌，以期通過新舊世代產(chǎn)品的改變，提高產(chǎn)品密度，降低制造成本，取得競爭優(yōu)勢。

根據(jù)集邦咨詢發(fā)布數(shù)據(jù)，第三季度DRAM市場價格已經(jīng)扭轉(zhuǎn)原先的跌勢，轉(zhuǎn)為持平，其中8月DRAM合約價與前月持平，DDR4 8GB均價來到25.5美元。至于NAND閃存市場，上季度便已扭轉(zhuǎn)了下滑的態(tài)勢。在智能手機、筆記本電腦以及服務(wù)器等需求面皆有所復(fù)蘇的情況下，NAND閃存市場已經(jīng)擺脫此前一直出現(xiàn)的跌跌不休態(tài)勢，出現(xiàn)轉(zhuǎn)機。

目前多數(shù)存儲廠商均已開始看好明年市場的復(fù)蘇前景。在此情況下，美光、三星、SK海力士、英特爾等紛紛加大新技術(shù)工藝的推進力度，以圖通過新舊世代的產(chǎn)品交替克服危機，并在新一輪市場競爭中占據(jù)有利地位。

1z nm工藝

DRAM具有高密度、架構(gòu)簡單、低延遲和高性能的特性，兼具耐用和低功耗的特性。盡管不斷有新型存儲技術(shù)開發(fā)，但目前為止，在片外系統(tǒng)當(dāng)中DRAM仍然牢牢占據(jù)市場主流地位。與NAND閃存不同的是，DRAM需要制作電容器，比較難堆疊芯片層數(shù)，因此制造商大多只能以減少電路間距的方式，提高性能、效率。拉近電路距離的好處包含提高信號處理速度、降低工作電壓，以及增加每個硅片的DRAM產(chǎn)量，這也是各大制造商展開納米競爭的緣由。因此，在新一輪競爭當(dāng)中，廠商間不斷通過工藝微縮，強化競爭優(yōu)勢。

根據(jù)“Mircon Insight2019”上的訊息，美光開始采用1z nm工藝批量生產(chǎn)16GB DDR4內(nèi)存。美光科技執(zhí)行副總裁兼首席商務(wù)官Sumit Sadana表示，采用1z nm工藝將改善DRAM性能并降低成本，產(chǎn)品密度更高，功耗更低。10納米級的DRAM制程分為1代（1x）、2代（1y）與3代（1z）。1z nm生產(chǎn)效率比前一代高出27％。

除美光外，三星電子、SK海力士也已成功開發(fā)1z工程。三星電子于3月完成1z DRAM的開發(fā)，并從9月開始量產(chǎn)。而且三星電子還表示將于今年年底前引入極紫外光（EUV）光刻技術(shù)。SK海力士在成功開發(fā)第2代10納米級工藝（1y nm）11個月后，近日再度取得新進展，成功開發(fā)第3代10納米級工藝（1z nm）的16G DDR4 DRAM。

3D NAND上看128層

3D化是當(dāng)前NAND閃存領(lǐng)導(dǎo)發(fā)展的主要趨勢，各NAND閃存大廠都在3D 堆疊上加大研發(fā)力度，盡可能提升閃存的存儲密度。三星的第一代3D V-NAND只有24層，第二代為32層，隨后是48層……目前市場上的主流3D NAND產(chǎn)品為64層。今年8月三星電子再次宣布實現(xiàn)第六代超過100層的3D NAND 閃存量產(chǎn)。

美光科技也于近期宣布流片128層的3D NAND，并有望于2020年生產(chǎn)商用化的3D NAND。在 “Mircon Insight2019”技術(shù)大會上，美光科技執(zhí)行副總裁兼首席商務(wù)官Sumit Sadana表示，128層3D NAND如果被廣泛使用，將大大降低產(chǎn)品每比特成本。

SK海力士于年初宣布將投資大約1.22萬億韓元用于存儲芯片開發(fā)和生產(chǎn)。SK海力士目前主流3D NAND閃存為72層。SK海力士表示，下一代的3D NAND堆疊層數(shù)將超過90層，再下一個階段為128層，到了2021年會超過140層。

新一代存儲技術(shù)

云計算與人工智能對數(shù)據(jù)的運算能力提出越來越嚴(yán)苛的要求，DRAM與NAND的存儲能力正在成為瓶頸，越來越多新一代存儲芯片被開發(fā)出來。因此，新一代存儲芯片的布局與開發(fā)也成為各大存儲公司角力的焦點。

美光科技副總裁Steve Pawlowski表示，美光是全球為數(shù)不多的 DRAM、NAND 和 3D XPoint 解決方案垂直整合提供商。存儲技術(shù)幾乎涉及所有細分市場，包括數(shù)據(jù)中心、自動駕駛、移動智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等。應(yīng)用需求的不同驅(qū)動算法的改變，算法的改動也推動存儲技術(shù)的革新。“Mircon Insight2019”技術(shù)大會上，美光科技正式宣布推出了基于3D XPoint技術(shù)的超高速SSD硬盤X100。這是美光產(chǎn)品系列中首款面向數(shù)據(jù)中心的存儲和內(nèi)存密集型應(yīng)用程序的解決方案，利用新一代3D XPoint存儲技術(shù)，在內(nèi)存到存儲的層次結(jié)構(gòu)中引入新的層級，具有比 DRAM 更大的容量和更好的持久性，以及比 NAND 更高的耐用度和更強性能。

三星則重點發(fā)展新一代存儲技術(shù)MRAM。今年年初，三星宣布量產(chǎn)首款可商用的eMRAM產(chǎn)品。三星計劃年內(nèi)開始生產(chǎn)1G容量的eMRAM測試芯片，采用基于FD-SOI的28nm工藝。臺積電同樣重視下一代存儲器的開發(fā)。2017年臺積電技術(shù)長孫元成曾經(jīng)透露，臺積電已開始研發(fā)eMRAM和eRRAM，采用22nm制程。這是臺積電應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)、移動設(shè)備、高速運算電腦和智能汽車等四領(lǐng)域所提供效能更快速和耗電更低的新存儲器。

片上存儲技術(shù)

在“Mircon Insight2019”技術(shù)大會上，對存算一體技術(shù)也進行了探討。美光科技副總裁Bob Brennan表示，伴隨著邊緣計算、自動駕駛、數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和處理需求越來越多。在處理大數(shù)據(jù)過程中，由于數(shù)據(jù)量極大，處理數(shù)據(jù)時頻繁訪問外部存儲系統(tǒng)會降低運算速度。因此，改變當(dāng)然存儲架構(gòu)，實現(xiàn)存算一體的需求也就不斷提高。

所謂存算一體就是把存儲和計算結(jié)合在一起。具體來說，在傳統(tǒng)的馮•諾依曼結(jié)構(gòu)中，計算單元和存儲單元是相互獨立的。在計算過程中，計算單元需要將數(shù)據(jù)從存儲單元中提取出來，處理完成后再寫回存儲單元。而存算一體就是省去數(shù)據(jù)搬運的過程，有效提升計算性能。相較于傳統(tǒng)芯片，存算一體人工智能芯片具有能耗低、運算效率高、速度快和成本低的特點。

不過，存算一體的概念在1990年代就已被提出，但始終難以落地。主要原因在于，存算一體技術(shù)尚難以達到傳統(tǒng)計算機馮•諾依曼結(jié)構(gòu)的靈活性和通用性水平。存算一體技術(shù)需要利用將處理器和存儲器集成在同一芯片內(nèi)，使之通過片上網(wǎng)絡(luò)相互連接。但是目前處理器與存儲器的制造工藝不同，若要在處理器上實現(xiàn)存儲器的功能，則可能會降低存儲器的存儲密度；若要在存儲器上實現(xiàn)處理器的功能，則可能會影響處理器的運行速度。但是隨著存儲廠商間新一輪技術(shù)升級，存算一體技術(shù)的發(fā)展仍然受到重視。