來源：大D談芯

一、 什么是存儲芯片

1. 存儲芯片的定義

2. 操作方式：

1) ASIC技術實現存儲芯片

2) FPGA 技術實現存儲芯片

二、 存儲芯片的分類

三、 存儲芯片的發展歷史

四、 技術發展趨勢

1. Nor Flash

1) NOR Flash制程進展緩慢

2) SPI接口技術優化NOR Flash效率

2. DRAM

1) DRAM制程進入1z時代

2) DRR系列性能持續優化

3) DRR5：更高的帶寬，更快的速率，更低的功耗

3. NAND Flash：3D垂直堆疊技術為主要發展方向

1) NAND Flash存儲密度不斷增加

2) 3D NAND成為主流方向

4. 新型存儲：打破內外存儲邊界

1) 新型存儲有望突破內存、外存間 “存儲墻”

2) PCM：高密度、低功耗的非易失存儲

3) FRAM:讀寫耐久的隨機存儲

4) MRAM：高速長壽的非易失存儲

5) ReRAM：高速非易失存儲

存儲芯片是半導體行業中非常重要的一類產品，我們日常所有的電子設備基本都會用到存儲器。據WSTS預測，2023年全球存儲芯片市場規模將達到1675億美元，占比約30%；其中中國存儲器市場空間巨大，預計2023年國內存儲芯片市場規模將達到6492億元(約942億美元)，約占全球市場的55.8%。

一、什么是存儲芯片

1. 存儲芯片的定義

存儲芯片，是嵌入式系統芯片的概念在存儲行業的具體應用。因此，無論是系統芯片還是存儲芯片，都是通過在單一芯片中嵌入軟件，實現多功能和高性能，以及對多種協議、多種硬件和不同應用的支持。

2.操作方式：

對存儲行業而言，存儲芯片主要以兩種方式實現產品化：

1)ASIC技術實現存儲芯片

ASIC(專用集成電路)在存儲和網絡行業已經得到了廣泛應用。除了可以大幅度地提高系統處理能力，加快產品研發速度以外，ASIC更適于大批量生產的產品，根椐固定需求完成標準化設計。在存儲行業，ASIC通常用來實現存儲產品技術的某些功能，被用做加速器，或緩解各種優化技術的大量運算對CPU造成的過量負載所導致的系統整體性能的下降。

2)FPGA 技術實現存儲芯片

FPGA（現場可編程門陣列）是專用集成電路（ASIC）中級別最高的一種。與ASIC相比，FPGA能進一步縮短設計周期，降低設計成本，具有更高的設計靈活性。當需要改變已完成的設計時，ASIC的再設計時間通常以月計算，而FPGA的再設計則以小時計算。這使FPGA具有其他技術平臺無可比擬的市場響應速度。新一代FPGA具有卓越的低耗能、快速迅捷（多數工具以微微秒-百億分之一秒計算）的特性。

二、存儲芯片的分類

半導體存儲是存儲領域的應用領域最廣、市場規模最大的存儲器件。按照停電后數據是否可繼續保存在器件內，半導體存儲器可分為掉電易失和掉電非易失器件；

1)易失存儲器在過去的幾十年里沒有特別大的變化，依然是以靜態隨機存取存儲器（SRAM）、動態隨機存取存儲器（DRAM）為主；

2)非易失存儲器從早期的不可擦除PROM，到后來的光可擦除EPROM、電可擦除EEPROM，到現在的主流的Flash，技術在不斷的更新、進步。現在RAM領域還出現了鐵電存儲器（FRAM）、相變存儲器（PRAM）、磁存儲器（MRAM）和阻變存儲器（RRAM）等非易失靜態存儲器。

1.EEPROM的全稱是“電可擦除可編程只讀存儲器”，可以在電腦上或專用設備上擦除已有信息，重新編程，一般用在即插即用。在一些所需存儲容量不大，并且需要頻繁更新的場合，EEPROM相比較于Flash，由于其百萬次的擦寫次數和更快速的寫入，成為更佳選擇。近年來，EEPROM除了越來越多的集成到SOC芯片中，也可搭配AMOLED、指紋、觸控、攝像頭、藍牙、無線等芯片形成模組。EEPROM以其通用性，穩定耐用的數據存儲，各種小容量規格，能滿足攝像頭模組、可穿戴設備等對參數存儲的要求。

2.NOR Flash應用領域極其廣泛，幾乎所有需要存儲系統運行數據的電子設備都需要使用NOR Flash。NOR Flash的廣泛應用，主要得益于其可芯片內執行（XIP）的特點。如下圖所示，Flash均使用浮柵場效應管作為基本單元來存儲數據。在控制柵極（Word Line與場效應管連接處）未施加電壓時，源極和漏極之間導通則數據為1，中斷則為0。NOR Flash的連接方式為串聯，讀取數據不需對Word Line進行加壓，直接測量對應的Bit Line和Source Line之間的通斷即可獲取該存儲單元的數據。不僅實現了位讀取，還大大提高了數據讀取的速度。實現位讀取，程序便可在NOR Flash上運行，即所謂的芯片內執行（XIP）。

3.NAND Flash的連接方式為串聯，若要讀取下圖黃色Word Line（字線）的數據，需對其他所有Word Line進行增加電壓，加壓后漏極和源極處于導通狀態。因此NAND Flash讀取數據的最小單位是頁（即Word Line上的所有數據），無法直接運行程序，所有數據必須先讀取到RAM上后才可運行。從應用形態上看，NAND Flash的具體產品包括USB（U盤）、閃存卡、SSD（固態硬盤），以及嵌入式存儲（eMMC、eMCP、UFS）等。USB屬于常見的移動存儲設備，閃存卡則用于常見電子設備的外設存儲，如相機、行車記錄儀、玩具等。

4.DRAM是動態隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory）的縮寫，主要的作用原理是利用電容內存儲電荷的多寡來代表一個二進制比特（bit）是1還是0。DRAM的特征是運算速度快，但掉電后數據會丟失，常應用于系統硬件的運行內存。DRAM用于計算機、手機的運行數據保存以及與CPU直接通訊。在計算機、服務器的應用領域，DRAM以內存模組的形式出現。內存模組由DRAM內存顆粒（即內存芯片）和內存接口芯片以及配套的印制電路板組成。在手機等移動設備領域，DRAM直接以一顆芯片的形安裝在主板上。

uDRAM按照產品分類分為DDR/LPDDR/GDDR和傳統型（Legacy/SDR）DRAM，相對于DDR的雙倍速率（在時鐘上升沿和下降沿都可以讀取數據），傳統的DRAM只在時鐘上升沿讀取數據，速度相對慢。應用領域相對較窄，是利基型的DRAM。DDR/LPDDR為DRAM的應用最廣的類型，因此DRAM主要應用于計算機、服務器和移動設備上，根據Yole數據統計，兩者合計占DRAM應用比例約為90%

5.SRAM即靜態隨機存取存儲器，SRAM不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據，DRAM每隔一段時間，要刷新充電一次，否則內部的數據即會消失。SRAM的讀寫速度非常快，同時能夠保證數據完整性，由于SRAM內部采用的是雙穩態電路的形式來存儲數據，所以SRAM的電路結構非常復雜。由于SRAM更快，功耗低，但由于其容量小，成本更加昂貴，所以一般應用于帶寬要求高，功耗要求低的場景。目前SRAM基本上只用于CPU內部的一級緩存以及內置的二級緩存，比如作為微控制器的RAM或者cache（32bytes到128kb）

三、存儲芯片的發展歷史

存儲行業興起于1960s，是半導體行業重要的分支領域。按照產品周期存儲行業的發展歷程大致可分為3個階段。1990年以前，DRAM為存儲芯片市場上主要的產品，且伴隨少量的EPROM和EEPROM。1990年至2000年，NOR Flash開始逐步占據一定比例的市場份額。2000年以后，NAND Flash開始爆發式增長，其市場規模直逼DRAM, 而NOR Flash的市場規模于2006年達到頂峰后開始逐漸下滑，但于近兩年又開始有微小上升趨勢

參照行業玩家的變化也可以劃分為3個階段，即美國→日本→韓國。

存儲行業的主要玩家伴隨歷史發展發生了顯著的變化，霸主地位由一開始的美國企業（1969-1984年）逐步轉移到日本（1985-1996年），最后再轉移到韓國企業（1996-現在）。目前存儲行業的主要玩家包括韓國的三星、SK海力士；日本的東芝、鎧俠、日立、NEC；美國的美光、英特爾、西部數據等。

四、技術發展趨勢

1. Nor Flash

   
   

1)NOR Flash制程進展緩慢

1988年，Intel推出第一款NOR Flash商用產品，制程為1.5微米。2005年，Intel推出65nm制程產品，直到2020年，65nm依然是NOR Flash主流制程,而與NOR Flash同源的閃存產品NAND Flash早已進入10nm制程。市場高端玩家美光與cypress目前均已采用最先進的45nm制程，中低端市場主要產商兆易創新與旺宏于2019年推出55nm制程，華邦預計于2021年量產45nm制程產品。

2)SPI接口技術優化NOR Flash效率

串行外設接口(SPI)是微控制器和外圍IC（如傳感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等）之間使 用最廣泛的接口之一。4線SPI器件有四個信號：時鐘(SCLK)、片選(CS)、主機輸出 (MOSI)、從機輸 出(MISO)。主機送出CLK信號，主機到從機的數據在MOSI線上傳輸，從機到主機的數據在MISO線上 傳輸。與另一種同步傳輸協議I2C（并行存取方式)相比，序列式接口具有較多優勢：其外在接腳數目更少， 降低了IC組裝及封裝的成本，占據了更小的印刷電路板面積并簡化了繞線的復雜度；由于電路設計原 因，SPI傳輸速率一般在幾十Mbps，I2C傳輸速率一般僅有400Kbps。

使用SPI接口技術的NOR Flash一般被稱為Serial NOR Flash或SPI NOR Flash，使用I2C接口技術的NOR Flash一般被稱為Parallel NOR Flash。目前，美光、賽普拉斯、華邦、旺宏等NOR Flash知名產商均有生產兩種形式的NOR Flash，兆易創新則專注于SPI NOR Flash。

當前市場上以SPI為接口的NOR Flash產品數量較多，但根據Knowledge Sourcing Intelligence預測，并行接口的NOR Flash數量將在未來幾年有所增加。

2008 年 10 月，兆易創新推出國內首款串行閃存（SPI NOR Flash）產品，并于12月開始量產。此后，公司SPI NOR Flash 產品不斷更新迭代。2019年4月，兆易創新推出八通道XSPI接口技術，大幅增加了閃存數據吞吐量。2020年7月，兆易創新的GD25/55 B/T/X系列1.8V產品（即GD25/55 LB/LT/LX）全面量產，其數據吞吐量分別為90Mbps，200Mbps和400Mbps。

2.DRAM

1)DRAM制程進入1z時代

DRAM的技術發展路徑是以微縮制程來提高存儲密度。制程工藝進入20nm之后，制造難度大幅提升，內存芯片廠商對工藝的定義從具體的線寬轉變為在具體制程范圍內提升二或三代技術來提高存儲密度。譬如，1X/1Y/1Z是指10nm級別第一代、第二代、第三代技術，未來還有1α/1β/1γ。

目前市場上DRAM的應用較為廣泛的制程是2Xnm和1Xnm，三星、美光、海力士等巨頭廠商均已開發出1Znm制程的DRAM。國產DRAM廠商合肥長鑫現已量產的DRAM為19nm制程，預計2021年可投產17nm DRAM，技術與國際先進的廠商還有較大的差距。

2)DRR系列性能持續優化

DDR是雙倍速率同步動態隨機存儲器，在SDRAM（Synchronous DRAM）的基礎上發展而來，與SDRAM相比，它可以在一個時鐘讀寫兩次數據，使得數據傳輸速度加倍。主要應用在個人計算機、服務器上。自2000年DDR1推出之后，20年內DDR系列已更新

到了第五代，主要發展方向為工作效率提升與工作電壓降低。

3)DRR5：更高的帶寬，更快的速率，更低的功耗

2018年至2020年，海力士、美光、三星先后宣布完成DDR5研發，國內產商方面，瀾起科技表示將在2020年內完成DDR5研發。相比于DDR4，DDR5具有更高的帶寬，更快的速率，更低的功耗。據固態技術協會（JEDEC) ，DDR5突發長度增加到BL16，存儲區計數增加至32，為DDR4的兩倍；最高速率可達4.8Gbps，是DDR4的150%；輸入緩沖和核心邏輯的供電電壓降低至1.1V。根據IDC預測，DDR5的需求將逐步增長，在DRAM市場的占有率將于2021年達到25%，在2022年進一步上升至44%。

3.NAND Flash：3D垂直堆疊技術為主要發展方向

1)NAND Flash存儲密度不斷增加

根據每個存儲單元存儲的數據數量，NAND Flash可以分為SLC、MLC、TLC、QLC。SLC（SingleLevel Cell）為每個存儲單元存儲的數據只有1位，即只有0/1兩種狀態，而MLC（Multi-Level Cell）、TLC（Triple-Level Cell）、QLC（Quad-Level Cell）每個存儲單元能存儲的數據分別為2位、3位與4位，可以有4種、8種與16種狀態，存儲空間迅速增加。

四種類型的NAND Flash性能各有不同。SLC單位容量的成本相對于其他類型NAND Flash成本更高，但其數據保留時間更長、讀取速度更快；QLC擁有更大的容量和更低的成本，但由于其可靠性低、壽命短等缺點，仍有待后續發展。目前主流的解決方案為MLC與TLC 。

2)3D NAND成為主流方向

以往的閃存多為平面閃存，也即2D NAND，3D NAND是立體結構的閃存。3D NAND使用多層垂直堆疊技 術，相比較于2D NAND，擁有更大的容量、更低的功耗、更好的耐用性以及更低的成本等優點。具體 來說，3D NAND成本大約為2D NAND的3倍，64層3D NAND容量大約為2D NAND的三倍，隨著3D NAND層數 增加，規模經濟優勢將逐漸凸顯。此外，相關測試顯示與2D NAND相比，3D NAND能夠節省約50%能耗。

目前2D NAND使用的制程工藝為14/15nm，3D NAND大多為20nm級別。同DRAM 一樣，NAND Flash 同樣采取 1X nm/1Y nm/1Z nm 進行工藝技術的度量。不同之處在于，由于物理結構上 NAND 不需要制作電容器，自2015年制程推進遇到障礙時，制程工藝相對簡單的3D堆疊 技術成為新的發展方向。根據Yole，全球 3D NAND Flash 的產量已于2017年4季度超過2D。目前3D技 術正在穩步推進中，未來的發展方向就是層數的繼續堆疊。

目前，全球能夠實現量產3D NAND的公司只有三星、美光、英特爾、海力士、長江存儲等10幾家廠商。根據TechInsights，截止2019年末，美光、海力士、三星、西部數據等國際大廠均已成功研發100+層 的3D NAND。2020年4月，長江存儲也宣布成功研發128層3D NAND。

4.新型存儲：打破內外存儲邊界

1)新型存儲有望突破內存、外存間 “存儲墻”

當前主流的計算系統都采用馮諾依曼架構，其特點在于程序存儲于存儲器中，與運算控制單元相分離。為了滿足速度和容量的需求，現代計算系統通常采取高速緩存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存儲(NAND Flash)的三級存儲結構。SRAM響應時間通常在納秒級，DRAM則一般為100納秒量級，NAND Flash更是高達 100微秒級，當數據在這三級存儲間傳輸時，響應時間的差異形成“存儲墻”。

DRAM和NAND Flash受限于本身物理特性，難以突破“存儲墻”。新型存儲的特殊材料和結構使 其同時具備DRAM的讀寫速率與壽命以及NAND Flash的非易失特性，理論上可以簡化存儲架構將當前的內存和外存合并為持久內存，從而有望消除或縮小內存與外存間的“存儲墻”。目前較為流行的新型存儲有4種：PCM、FRAM、MRAM、ReRAM。

2)PCM：高密度、低功耗的非易失存儲

相變位存儲器(PCM: Phase-change memory)，是一種非易失性存儲器設備。其材料為硫族化物的玻璃。硫屬玻璃經加熱可以改變狀態，成為晶體或非晶體，這些不同狀態具有不同的電阻特性和光學特性， PCM借此存儲不同的數值。PCM具有工藝尺寸小、存儲密度高、讀寫速度快、功耗低、可拓展性強等優 點。

由于PCM必須逐層構建，且每一層都必須采用關鍵的光刻和蝕刻步驟，導致成本與層數等比例增加， 因此其不具備垂直3D NAND的制造技術所能達到的規模效益。2015年，Intel與Micron推出3D Xpoint存儲器，旨在作為計算系統中DRAM與NAND閃存SSD之間的新增 存儲器層。3D Xpoint存儲器使用相變材料，其存儲量接近NAND，速度與DRAM相近，成本介于NAND和 DRAM之間。

在3D Xpoint基礎上，Intel與美光分別推出自己的產品。Intel傲騰系列產品都是基于3D Xpoint，包 括傲騰固態盤系列與傲騰內存系列，其中，傲騰固態盤用于標準 NAND 封裝模型中的快速存儲，內存 產品則在DRAM總線上運行；美光在2019年推出X100 SSD，其每秒讀寫次數最高為250萬，連續傳輸的 性能約為10GB/s，兩項性能均創造了單塊SSD的新記錄。

3)FRAM:讀寫耐久的隨機存儲

鐵電存儲器（FERAM），是一種隨機存取存儲器,與DRAM類似，但其使用鐵電層而非介電層來實現它的非 易失性。FRAM的電壓、電流關系具有可用于存儲位的特征滯后回路。正電流使位單元處于具有正偏置的 狀態，而負電流將該位單元的狀態改變為負偏置。

電鐵存取器的缺點是，它的讀取是破壞性的，每次讀取后必須通過后續寫入來抵消，以將該位的內容恢 復到其原始狀態。它的優點是具有獨特的低寫入耗電性能以及寫入耐久性，FeRAM在+85°C下的數據保留時間超過10年（在較低溫度下長達數十年）。富士通正在開發FRAM并竭力推廣商業化進程。

4)MRAM：高速長壽的非易失存儲

磁性存儲器 (MRAM）是一種非易失性存儲。共有三層，上下兩層是磁性隧道結，中間為晶體管。當最上層磁性方向與最下層方向一致時，MTJ具有低電阻；當最上層磁性方向與最下層方向相反時，MTJ具有高電阻。寫入數據時，通過嚴格控制電流，改變最上面一層磁場方向進而改變晶體管電阻值。

所有新型存儲介質中，MRAM是唯一一個速度可與DRAM媲美的存儲器。此外，MRAM具有較長的壽命，其 組成的固件就無需像基于閃存的SSD固件做磨損均衡。

目前Everspin已經有產品應用于航空航天等特定領域，并于2019年開始與格芯合作，試生產28nm制程 的1Gb STT-MRAM產品。

5)ReRAM：高速非易失存儲

阻變存儲器 (ReRAM)是一種非易失性存儲器。采用兩端加了電壓，電阻會發生變化的材料，目前主要 是過渡金屬氧化物。過渡金屬氧化物的薄膜是絕緣體，其電阻值在電場作用下會發生可逆變化。即，當電場超過臨界值時介電層會發生崩潰現象，使介電層從高阻值轉為低阻值阻變存儲器。依據電阻器 處于高電阻或低電阻狀態以表示“1”或“0”。

與PCM相比，ReRAM的運行時間更快，與MRAM相比，ReRAM具有更簡單，更小的單元結構。Crossbar正致力于其產業化進程，富士通和松下正在聯合加大投入開發第二代 ReRAM 器件。

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