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半导体

存储芯片行业展开新一轮技术升级竞争

几家逻辑IC厂商之间的竞争使得7nm、5nm、3nm……制造工艺尽人皆知。但是人们不应忽视存储芯片厂商间的技术之争同样极其激烈:3D NAND堆叠已经上看128层,DRAM工艺微缩已达1z(12-14nm),3D XPoint、ReRAM等新一代存储技术被重点开发。技术升级一向是存储芯片公司间竞争的主要策略。日前,笔者参加了美光科技举办的技术大会“Mircon Insight2019”,会上对存储领域新的技术趋势进行了相对深入的剖析。从此亦可窥见,存储芯片大厂间的新一轮技术升级之争正在展开。

技术升级加速

技术升级一向是存储芯片公司间竞争的主要策略。存储芯片具有高度标准化的特性,且品种单一,较难实现产品的差异化。这导致各厂商需要集中在工艺技术和生产规模上比拼竞争力。因此,每当市场格局出现新旧转换,厂商往往打出技术牌,以期通过新旧世代产品的改变,提高产品密度,降低制造成本,取得竞争优势。

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根据集邦咨询发布数据,第三季度DRAM市场价格已经扭转原先的跌势,转为持平,其中8月DRAM合约价与前月持平,DDR4 8GB均价来到25.5美元。至于NAND闪存市场,上季度便已扭转了下滑的态势。在智能手机、笔记本电脑以及服务器等需求面皆有所复苏的情况下,NAND闪存市场已经摆脱此前一直出现的跌跌不休态势,出现转机。

目前多数存储厂商均已开始看好明年市场的复苏前景。在此情况下,美光、三星、SK海力士、英特尔等纷纷加大新技术工艺的推进力度,以图通过新旧世代的产品交替克服危机,并在新一轮市场竞争中占据有利地位。

1z nm工艺

DRAM具有高密度、架构简单、低延迟和高性能的特性,兼具耐用和低功耗的特性。尽管不断有新型存储技术开发,但目前为止,在片外系统当中DRAM仍然牢牢占据市场主流地位。与NAND闪存不同的是,DRAM需要制作电容器,比较难堆叠芯片层数,因此制造商大多只能以减少电路间距的方式,提高性能、效率。拉近电路距离的好处包含提高信号处理速度、降低工作电压,以及增加每个硅片的DRAM产量,这也是各大制造商展开纳米竞争的缘由。因此,在新一轮竞争当中,厂商间不断通过工艺微缩,强化竞争优势。

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根据“Mircon Insight2019”上的讯息,美光开始采用1z nm工艺批量生产16GB DDR4内存。美光科技执行副总裁兼首席商务官Sumit Sadana表示,采用1z nm工艺将改善DRAM性能并降低成本,产品密度更高,功耗更低。10纳米级的DRAM制程分为1代(1x)、2代(1y)与3代(1z)。1z nm生产效率比前一代高出27%。

除美光外,三星电子、SK海力士也已成功开发1z工程。三星电子于3月完成1z DRAM的开发,并从9月开始量产。而且三星电子还表示将于今年年底前引入极紫外光(EUV)光刻技术。SK海力士在成功开发第2代10纳米级工艺(1y nm)11个月后,近日再度取得新进展,成功开发第3代10纳米级工艺(1z nm)的16G DDR4 DRAM。

3D NAND上看128层

3D化是当前NAND闪存领导发展的主要趋势,各NAND闪存大厂都在3D 堆叠上加大研发力度,尽可能提升闪存的存储密度。三星的第一代3D V-NAND只有24层,第二代为32层,随后是48层……目前市场上的主流3D NAND产品为64层。今年8月三星电子再次宣布实现第六代超过100层的3D NAND 闪存量产。

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美光科技也于近期宣布流片128层的3D NAND,并有望于2020年生产商用化的3D NAND。在 “Mircon Insight2019”技术大会上,美光科技执行副总裁兼首席商务官Sumit Sadana表示,128层3D NAND如果被广泛使用,将大大降低产品每比特成本。

SK海力士于年初宣布将投资大约1.22万亿韩元用于存储芯片开发和生产。SK海力士目前主流3D NAND闪存为72层。SK海力士表示,下一代的3D NAND堆叠层数将超过90层,再下一个阶段为128层,到了2021年会超过140层。

新一代存储技术

云计算与人工智能对数据的运算能力提出越来越严苛的要求,DRAM与NAND的存储能力正在成为瓶颈,越来越多新一代存储芯片被开发出来。因此,新一代存储芯片的布局与开发也成为各大存储公司角力的焦点。

美光科技副总裁Steve Pawlowski表示,美光是全球为数不多的 DRAM、NAND 和 3D XPoint 解决方案垂直整合提供商。存储技术几乎涉及所有细分市场,包括数据中心、自动驾驶、移动智能设备、物联网等。应用需求的不同驱动算法的改变,算法的改动也推动存储技术的革新。“Mircon Insight2019”技术大会上,美光科技正式宣布推出了基于3D XPoint技术的超高速SSD硬盘X100。这是美光产品系列中首款面向数据中心的存储和内存密集型应用程序的解决方案,利用新一代3D XPoint存储技术,在内存到存储的层次结构中引入新的层级,具有比 DRAM 更大的容量和更好的持久性,以及比 NAND 更高的耐用度和更强性能。

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三星则重点发展新一代存储技术MRAM。今年年初,三星宣布量产首款可商用的eMRAM产品。三星计划年内开始生产1G容量的eMRAM测试芯片,采用基于FD-SOI的28nm工艺。台积电同样重视下一代存储器的开发。2017年台积电技术长孙元成曾经透露,台积电已开始研发eMRAM和eRRAM,采用22nm制程。这是台积电应对物联网、移动设备、高速运算电脑和智能汽车等四领域所提供效能更快速和耗电更低的新存储器。

片上存储技术

在“Mircon Insight2019”技术大会上,对存算一体技术也进行了探讨。美光科技副总裁Bob Brennan表示,伴随着边缘计算、自动驾驶、数据中心、物联网的发展,数据的产生和处理需求越来越多。在处理大数据过程中,由于数据量极大,处理数据时频繁访问外部存储系统会降低运算速度。因此,改变当然存储架构,实现存算一体的需求也就不断提高。

所谓存算一体就是把存储和计算结合在一起。具体来说,在传统的冯•诺依曼结构中,计算单元和存储单元是相互独立的。在计算过程中,计算单元需要将数据从存储单元中提取出来,处理完成后再写回存储单元。而存算一体就是省去数据搬运的过程,有效提升计算性能。相较于传统芯片,存算一体人工智能芯片具有能耗低、运算效率高、速度快和成本低的特点。

不过,存算一体的概念在1990年代就已被提出,但始终难以落地。主要原因在于,存算一体技术尚难以达到传统计算机冯•诺依曼结构的灵活性和通用性水平。存算一体技术需要利用将处理器和存储器集成在同一芯片内,使之通过片上网络相互连接。但是目前处理器与存储器的制造工艺不同,若要在处理器上实现存储器的功能,则可能会降低存储器的存储密度;若要在存储器上实现处理器的功能,则可能会影响处理器的运行速度。但是随着存储厂商间新一轮技术升级,存算一体技术的发展仍然受到重视。

责任编辑:陈炳欣


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