时代全芯卡位新型存储 聚焦PCM相变存储器

2021开年,“缺货”、“涨价”这两大关键词就博足了半导体从业人士的眼球。存储市场在这波氛围带动下,也迎来全面上涨。日经报道指出,老款的DRAM价格暴涨2倍,IC insight也披露,DRAM的平均销售价格在今年第一季度比上一季度增长8%,而且几乎所有存储器供应商都预计2季度将有更强劲的需求。说到存储器,国内的长江存储正在3D NAND领域“盖楼”,与国际存储大厂试比高,目前其128层已研发成功。

目前存储器已经形成主要由DRAM与NAND Flash构成的超千亿美元的市场。在关注传统存储器的进展之外,近些年,随着人工智能、5G和物联网需求的崛起,存储墙问题、内存不具备非易失性、外存微缩艰难等问题凸显,这些都勾起了行业内对新型存储器的探索。MKW Ventures的Mark Webb曾表示,在接下来的十年中,两种新兴的非易失性存储器类型——相变存储器(PCM)和磁RAM,将在独立存储器中处于领先地位。

以DRAM和闪存为代表的第三代存储器已发展了近50年,中国目前发展难度极大,如何解决专利壁垒将是中国DRAM和闪存企业在产品上市后面临的无法绕开的问题。但新型存储产业尚未形成行业垄断,存储技术也尚未形成壁垒,总体来说机遇大于挑战。那么新型存储器能否成为我国在存储业弯道超车的机会呢?国内在新型存储器上的进展如何呢?

新型存储器成新兴市场的选择

数据是这个世界的新经济。根据IDC的研究,到2025年,由物联网生成的数据总量将为79.4 ZB;目前还有100亿移动设备正在使用中,每个移动设备将生成、存储、共享和传输新数据集。在全球范围内,每天生成的数据总量约为2.5兆字节,并且数量正在迅速增加。所有这些数据在其整个生命周期中都需要内存,而且所产生的大量数据对芯片的处理能力提出了越来越严苛的要求。智能时代的到来,将引起存储行业的新一轮爆发。

数据存储和处理可以在云、核心网络、边缘网络或设备本身中进行。当处理器需要在近距离处理数据时,最直接的方法是在同一芯片上构建处理器和内存,如内存内计算。但是,由于现有的内存制造工艺与标准CMOS逻辑工艺的差异,所有当前的存储技术都无法以优化的方式来做到这种类型的集成,内存内计算很难实现。在这方面,相变存储器具有真正的独特优势,因为其制造工艺从一开始便是无缝集成到最先进的CMOS工艺中,这使得相变存储器可以用作“内存内”或“近内存“计算的主存储器,并可在同一芯片上设计对于数据处理功能强大的处理器。

相变存储器被称为PCM或PCRAM。早在1968年就被奥弗辛斯基(Stanford Ovshinsky)提出,他首次描述了基于相变理论的存储器:材料由非晶体状态变成晶体,再变回非晶体的过程中,其非晶体和晶体状态呈现不同的光学特性和电阻特性,因此可以利用非晶态和晶态分别代表“0”和“1”来存储数据,这一学说称为奥弗辛斯基电子效应。

以前由于半导体工艺的限制,造成相变单元所需要的驱动电流过大,这也直接导致早期的相变存储器并没有赢得太多青睐,反而是利用硫系化合物其宏观上光学反射率存在很大的差异,在商业上主要被用于多媒体数据光盘(DVD),来实现两个稳定数据态的存储。而后得益于半导体加工工艺的进步,使具有较小的驱动电流器件成为可能,并迎来了自身真正发展的契机。

而在当前主流的一些新型的存储器如MRAM、ReRAM和 PCM中,PCM被业界公认为工艺是最为成熟的,也是未来最有望取代当前传统存储器的高速存储介质。

相较于其他类型的存储器(包括NAND闪存),PCM具有多种优势:

更快的写入周期:PCM提供了可能比NAND闪存快得多的写入周期。NAND闪存要求在写入新数据之前先擦除数据,而PCM则没有这样的要求,从而使其速度大大提高。

更快的访问时间:研究发现,使用PCM可以实现低于5 ns的访问时间。

耐力:考虑到PCM不需要首先擦除数据,供应商和研究人员估计相变存储器比NAND闪存可以处理更多的写周期。

降低功耗:PCM有望提供比NAND同类产品更低的功耗要求。

PCM是可执行的:相变存储器的独特之处在于,它既可以执行代码,就像现有的DRAM一样,也可以存储像NAND这样的数据。

IBM曾在一篇文章中指出,通过使用基于PCM的模拟芯片,机器学习可加速一千倍。

具体到应用上,在核心和边缘网络中,PCM可以用作为主内存,以此来增加内存总容量并同时减少内存访问延迟和成本。基于PCM的存储产品,例如英特尔的Optane? DCPM也受到了数据中心运营商的广泛关注和欢迎,因为DCPM产品已体现出在提高存储性能的同时降低了成本的优势。

此外,对于物联网相互连接的设备上的数据存储,PCM不仅可以替换传统的NOR或NAND存储器,还能凭借其NVM属性和超快速的访问时间,确保这些设备的最佳性能。

由于PCM具有接近DRAM的性能,因此可以将其直接连接到片上系统(SoC)中嵌入式MCU的处理器总线作为所谓的“紧密耦合存储”(TCM),从而简化并加速了系统启动过程及对关键事件的响应并增强了安全性,因为所有关键数据始终可以隐藏在MCU芯片内部。ST在2018年12月研发了一项车载嵌入式相变化存储半导体,2019年其宣称“Stellar”系列可内置容量极大的嵌入式PCM。这也证明了PCM可在车载存储领域发挥大作用。

随着我们接近即将到达的半导体技术“十字路口”,PCM技术已渐进成熟并随时准备支持技术竞赛的下一站,无论其走向5G、AIoT还是数据中心。

把握新型存储器发展时机,本土存储力量崛起

据YOLE统计,2019年以来,存储器成为半导体增速最快的细分行业,总体市场空间将从2019年的1110亿美元增长至2025年的1850亿美元,年复合增长率为9%。细分市场中,新型存储器市场增速最快,将从5亿美元增长到40亿美元,年复合增长率达到42%,发展潜力巨大。

全球存储器市场规模及增速(资料来源:YOLE)

而新型存储器行伍中的相变存储器PCM早已成为国际存储大厂角逐的新领地,英特尔摒弃了发展多年的NAND业务,却唯独留下了Optane?技术,专心发展以PCM为代表的新型存储器,这具有极强的风向标作用。SK海力士宣布在下一代相变存储器中采用PUC(peri under cell)技术。ST将PCM嵌入其MCU中,探索在车载半导体中的应用。

国家“十四五”规划纲要中,在加强原创性引领性科技攻关方面,“先进存储技术升级”也被列入“科技前沿领域攻关”重点领域。在这种大环境和大机遇下,无论从经济上还是战略上来看,发展新型存储器PCM都是中国不可不把握的机遇。

“十四五”规划纲要

好在,在相变存储器领域,国内不乏已有深耕者,北京时代全芯(AMT)就是其中一家。时代全芯从事PCM技术研发超过十年,是中国最早获得IBM核心集成电路技术专利的民营企业,积累了丰富的PCM存储技术和经验,储备了一大批优秀且经验丰富的工程师。

AMT于2019年8月发布了首款相变存储产品——基于相变材料的2兆位可编程只读相变存储器(EEPROM)。这也是国内首批商业化量产的相变存储产品,标志着中国成为全球继美光、三星之后少数几个掌握相变存储器研发、生产工艺和自主知识产权的公司。目前产品已下线,量产曙光在前。

今后,公司还将陆续推出大容量系列存储产品,如:高密度相变存储器(3D PCM)、三态内容寻址存储器(TCAM)、智能存储器(Smart Memory)等,更好地满足市场需求,也为中国的存储业尤其是新型存储产业添砖加瓦。

如前文所说,新型存储产业市场还未成熟,各家也在不断探索,壁垒尚未形成,而且,更重要的是像PCM这样的新型存储技术并不需要特别先进的工艺制成,其设备受限制较少,因此我国在这一领域具有换道超车的可能。我国应当抓住这样一个大好的时机,大力发展PCM,保持与世界同步,我们的半导体产业才能快速赶上国际步伐。

结语

目前中国存储器市场国产化率极低,但是纵观国内整个存储产业链,存储器国产化具备一定的产业基础。在设计端,兆易创新从事NOR Flash、长鑫和西安华芯从事DRAM、长江存储从事NAND Flash;在制造端,武汉新芯和中芯国际具备一定的制造能力,同时紫光国芯也开始布局该领域;在封测端,长电科技、华天科技和深科技均有一定的封测能力。在新型存储器领域,有时代全芯这样“一门心思”死磕相变存储器的。国产存储器崛起的旭日正冉冉升起。

不过,半导体创企的道路注定艰难,如今国内存储的“种子”已经播下,我们应多给创企们一些时间,静待花开结果。