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nand的未来后NAND时代，这将成为未来存储的选择

发布时间 : 2025-01-20

作者 : 小编

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后NAND时代，这将成为未来存储的选择

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自IMEC，谢谢。

当今的内存格局包括不同类型的内存，每一种内存都在存储数据并将它们来回馈送到电子系统的计算部分中发挥作用。在传统的计算机层次结构中，快速且更昂贵的有源存储器（静态随机存取存储器 (SRAM) 和动态 RAM (DRAM)）与更高延迟和更低成本的存储解决方案不同。存储大量数据主要通过 NAND 闪存、硬盘驱动器 (HDD) 和磁带技术完成。虽然磁带存储仍然仅限于长期存档，但 HDD 和 NAND-Flash 用于在线和近线存储应用：它们都需要比磁带更频繁地访问，访问时间从微秒到几秒不等。NAND-Flash 在这两种存储类型中提供最低的延迟和功耗。这种非易失性存储器存在于所有主要的电子终端市场，例如智能手机、服务器、个人电脑、平板电脑和 USB 驱动器。

图1.当今主要内存技术及其应用领域的示意性概述，说明了延迟和生产力之间的权衡。多年来，研究人员已经能够显著提高各种存储解决方案的比特密度，以跟上不断增长的需求。然而，几年来，HDD 技术一直未能跟随历史生产力趋势线。预计 NAND-Flash 技术也会出现类似的时间延迟。3D-NAND-Flash 预计到 2029 年将达到高达 70Gbit/mm 2的存储密度，相对于历史密度扩展路线图，这将放缓大约四年。

进入后NAND时代

在 NAND-Flash 扩展饱和后，我们预计不同的存储技术会共存，每种技术都会权衡大小、能耗、延迟和成本。正在研究存储的新概念，不是为了取代现有的存储解决方案，而是在延迟/生产力空间中补充它们。想想 DNA 存储，针对低成本、超高密度但速度较慢的归档应用（例如保存（监视）视频、医疗和科学数据）或铁电存储技术，预计将在低延迟中找到自己的位置存储细分市场。所有这些存储器都将组织在不同的层级中，并将共同满足 >100 zettabyte 数据时代的存储需求。在本文中，我们提出了两种新的基于液体的存储概念——胶体（colloidal）和电石存储器（electrolithic memory）——具有超高密度近线存储应用的潜力。例如，这些存储解决方案可以在几秒钟内使归档的“非活动”数据（例如电子邮件归档、图像和声音文件或其他大型文档）可供用户访问。从 2030 年开始，它们可能会在 HDD 和磁带之间找到自己的位置，每卷的位数要高得多，但比 3D-NAND-Flash 慢。

增加位密度需要新的方法来寻址存储单元

我们认为，以具有成本效益的方式进一步扩展传统固态存储器（如 SRAM、DRAM 或 3D-NAND-Flash）的位密度具有挑战性是有一个根本原因。在所有这些存储器中，存储单元被组织成二维或三维阵列，位于字线和位线的交叉点。每个单元至少由一个存储元件和一个访问设备组成。存取设备——通常是晶体管或二极管——将存储元件连接到至少两条线，用于选择、读取和写入存储单元。缩放挑战与存储元件本身无关（单个分子大小的存储元件已被证明），而是与访问设备及其布线有关。 单元的尺寸至少为 2Fx2F (4F 2 )，其中 F 是最小特征尺寸（例如，字线半间距），由用于图案化导线的（昂贵的）光刻步骤确定。这种每个存储元件都有一个访问设备的配置使得开发具有成本效益的高密度解决方案并在每个单元中存储多于几位（目前最多 4 位 NAND-Flash 单元）具有挑战性。HDD 和磁带存储技术采用了不同的策略。在这里，显著较少数量的读/写访问设备连接到用作存储介质的较大未图案化区域。与 NAND 闪存相比，这导致更高的密度和更低的每比特成本。但也适用于更慢、更笨重和耗能的解决方案——因为读取头必须以机械方式定位在大面积上。

颠覆性解决方案将密集的访问设备阵列耦合到容量存储介质

通过调和两全其美，可以找到新的方法来制造超高密度存储设备，其每比特成本可承受，运行速度比磁带快。启用超高密度存储设备的一种有吸引力的方法是制作连接到存储介质的密集访问设备阵列。受生命科学进步的启发，这种存储介质可以是一种包含离子、分子或（纳米）粒子的液体，可以对其进行操作并以更大的体积移动到作为密集阵列一部分的访问设备。这种方法将实现多位操作，每个位所需的访问设备、电线和光刻步骤显著减少。这种新方法的高密度潜力引起了工业界的兴趣，世界范围内正在研究几种基于液体的概念。

图2.内存技术采用的三种不同类型的寻址下面，我们提出了两个新的基于液体的概念，它们具有长期的近线存储潜力，目标是（亚）秒访问时间。在本文中，重点是它们的工作原理和第一个实验结果。更多细节在 IMW 2022 上进行了介绍，有关电石存储器的工作最近发表在 IEEE Transactions on Electron Devices 上。

Colloidal memory：操纵纳米粒子

imec 引入的第一个基于液体的记忆概念被称为胶体记忆（Colloidal memory）。

胶体记忆概念很好地展示了液体（例如，水）如何用作体积存储介质和溶解的纳米颗粒（胶体）作为数据符号的载体。这个想法是使用（至少）两种类型的纳米颗粒（A 和 B）的胶体，这些纳米颗粒包含在储层中。该储存器连接到capillaries阵列，纳米颗粒可以插入其中。如纳米颗粒仅比capillaries的直径稍小，则可以保留颗粒（位）进入毛细管的顺序。正是在这个比特序列中，信息才能被编码。纳米颗粒可以通过位于每个capillaries入口处的电极选择性地诱导（和感测）。CMOS 外围电路控制电极阵列。

图3.胶体记忆概念示意图主要挑战之一涉及“写入”纳米颗粒的序列，换句话说，将颗粒选择性地吸引和插入capillaries中。Imec 研究人员正在从理论上和实验上探索使用频率相关介电泳作为写入机制的可行性。按照这种机制，跨电极产生的交变电场对纳米颗粒施加力。这种力是吸引力还是排斥力取决于粒子的类型和诱发电场的频率等。可以通过选择对所施加频率（吸引与排斥）响应不同的两个粒子来创建选择性写入过程。胶体记忆技术处于研发探索阶段。第一组采用不同配置（包括叉指（interdigital）和棋盘排列阵列（checkboard arranged arrays））的 µm 尺寸电极的实验标志着第一个里程碑。利用介电泳（dielectrophoresis）效应，他们展示了从混合溶液中选择性提取聚苯乙烯纳米粒子的可行性。但所需的技术仍需要重大发展。正在进行进一步的研究以微调该概念并提供纳米级的第一个原理证明。

图4.写入过程的演示：（荧光）聚苯乙烯纳米粒子被棋盘排列中的电极产生的交变电场吸引。

电石存储器：利用电化学

与胶体存储器一样，电石存储器也使用流体储存器和capillaries阵列。但在这种情况下，金属离子溶解在液体中，读写操作是通过更传统的电沉积和溶解技术来实现的。更详细地，储液器包含其中溶解有（至少）两种金属离子（A和B）的流体。该储层连接到一系列capillaries （或孔）。工作电极（由惰性金属如钌 (Ru) 制成）位于每个毛细管的底部。储存器也与单个反电极接触。储液器、工作电极和公共反电极一起为每个capillaries 形成一个电化学电池。密集的工作电极阵列连接到 CMOS 集成电路，用于单独寻址每个电极。通过在capillaries 内的工作电极上施加一定的电位，金属 A 的薄层可以沉积在电极上。金属 B 的行为相似，但沉积的起始电位不同——由其化学性质决定。信息现在可以被编码在交替层的堆栈中，暗示着地层石（lithos）——因此是新记忆的名称。

图5.电石存储器概念示意图我们现在可以想出几种方法来对信息进行编码。在一种可能的编码方案中，1nm 的金属 A 可用于编码二进制 0，而 2nm 厚的 A 层编码二进制 1。固定厚度（例如，0.5nm）的金属 B 层可用于描绘后续层实际上，假设 B 的起始电位高于 A，金属 B 层将与一定量的 A 合金化。可以通过反转电池电流和监测溶解电位来实现电石存储器的读取。在使用毫米和微米尺寸电极的第一个概念验证中，可以成功地证明使用这些技术进行读写的可行性。例如，对于直径为 4µm 的电极，研究人员展示了两层 CoNi 的连续写入和读取，与三层 Cu 交替。实验还表明，微米大小的电极比大电极的写入/读取时间更短。

图6.顶部视图 SEM 显示了具有毫米到微米范围内不同尺寸电极的微电极阵列：第一个概念验证最终需要紧密间距的纳米级井(well)来实现足够高的位密度和响应时间。因此，imec 研究人员制造了第二代电石存储单元，旨在从广泛的平行纳米井阵列（直径 80-150 纳米，深 300 纳米）写入和读取信号。初步结果表明，溶解Cu/CoNi五层堆栈后获得的读取信号与写入（即沉积）操作很好地对应（见图7）。

图7.（左）具有纳米孔和公共底部电极的第二代电石存储单元；（中）写入 Cu/CoNi 5 层堆栈的示意图，显示了三种不同的写入方案；（右）读取信号，清楚地显示了 CoNi 层在堆叠中的位置。例如，最先出现的峰对应于最近沉积的 CoNi 层。

迈向工业应用：提高密度、响应时间、带宽、耐用性和保留率

这些基于液体的新型存储器仍处于探索性研究阶段，其中电石存储器是最先进的。然而，工业界已经对这些概念表现出相当大的兴趣。在 imec，我们设想从 2030 年开始在内存路线图中引入液态内存，届时 3D-NAND-Flash 的位密度缩放将开始饱和。随着进一步扩展的努力，我们预计通过这些方法，位存储密度可以推向 1Tbit/mm 2范围，与 3D-NAND-Flash 相比，每 mm 2的工艺成本更低。对于液态存储器而言，只有电极和capillaries的间距为 40nm，才能实现如此高的密度。此外，研究人员必须能够分别制造用于胶体和电石存储器的纵横比约为 400:1 和 165:1 的capillaries。这类似于制造未来 3D-NAND-Flash 产品所需的内存孔的纵横比，因此被认为是一个现实的目标。要成为近线应用的可行存储解决方案，该技术还必须具有足够的响应时间、带宽（例如 20Gb/s）、循环耐久性（10 3写入/读取周期）、能耗（几 pJ 写入位）、和保留（超过 10 年）。这些评估将成为进一步研究的主题，建立在 imec 的 300 毫米液体记忆测试平台上，该平台具有不同配置的colloidal和electrolithic cells。

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闪存将迎新周期，主控芯片Fabless德明利前景如何？ IPO见闻

闪存主控芯片厂商深圳市德明利技术股份有限公司（简称：德明利）日前递交深交所IPO申请，东莞证券为主承销商。

公司拟募资15.37亿元，募集的资金将主要用于3D NAND闪存主控芯片及移动存储模组解决方案技术改造及升级项目、SSD主控芯片技术开发、应用及产业化项目等。

全球存储卡市占率3.09%

招股书显示，德明利主要从事集成电路设计、研发及产业化应用，业务主要集中于闪存主控芯片设计、研发，存储模组产品应用方案的开发、优化，以及存储模组产品的销售。产品主要包括存储卡、存储盘、固态硬盘等存储模组。公司还在人机交互触控领域完成初步业务布局，目前已完成自研触摸控制芯片投片。

德明利存储模组产品主要由NAND Flash存储颗粒和闪存主控芯片组成。 闪存主控芯片主要是用于存储颗粒的存取控制、存储管理或与其他器件配合工作等作用的SoC芯片（系统级芯片），其对存储产品的性能、安全性、可靠性和使用寿命等有重要影响。闪存主控芯片一般需要配套相应的固件方案，固件方案为通过量产工具软件写入存储颗粒中由闪存主控芯片运行时调取使用的一系列程序、参数等，量产工具系产品量产过程中需要使用的辅助软件。闪存主控芯片与存储颗粒、PCB 板等必要的组件集成、封测后形成存储模组产品。

德明利自研闪存主控芯片、触控芯片等主要采用Fabless模式进行代工生产 ，即公司专注于从事集成电路的设计和产品销售环节，其余环节委托给芯片代工企业、封装和测试企业代工制造。

在盈利模式方面，德明利主要通过采购NAND Flash存储晶圆，将其与闪存主控芯片等进行封装、测试后形成存储模组，再将存储模组销售给下游品牌、厂家客户或渠道分销商赚取利润。NAND Flash价格以及存储晶圆利用率都对公司利润有巨大的影响。

NAND Flash产品价格的周期性波动特征较为明显 。2019年以来NAND Flash综合价格指数处于低位波动状态。公司表示，未来随着5G时代的到来，大量的数据存储需求出现，预计NAND Flash价格又将迎来新一轮上升周期。

在行业地位方面，根据中国闪存市场（CFM）数据推算，2020年公司在全球存储卡和存储盘等移动存储行业的市场占有率约为3.09%。存储卡产品销售数量约占全球存储卡销售总量的6.92%，存储卡和存储盘产品合计销售数量约占全球移动存储产品销售总量的5.86%。

外销比例较高、存储业务主要收入来源

财务方面，德明利2017—2019年和2020年1—6月公司营业收入分别为2.20亿元、7.50亿元、6.46万元和3.25亿元，扣除非经常性损益后归属于母公司所有者的净利润分别为711.98万元、4047.32万元、7278.84万元和2313.50万元，存储业务为公司营业收入的主要来源，人机交互业务尚处于前期市场开发阶段，收入占比相对较小。

公司外销占比较高，报告期内，公司外销收入金额分别占当期营业收入总额的85.05%、89.87%、88.99%和68.31%。

公司综合毛利率在同行处于中游水平。

人民币汇率波动对公司盈利有一定影响 。公司报告期各期汇兑损益的绝对值分别占当期利润总额的19.53%、19.63%、4.62%和0.89%。德明利表示，公司已不断平衡外币货币性资产及负债规模以降低汇兑损益对经营业绩的影响，但如果未来期间相关外币兑人民币的结算汇率发生较大幅度波动，公司仍将面临经营业绩受汇率波动影响较大的风险。

股权方面，公司董事长及总经理李虎及田华（二者系夫妻）为公司实控人，其中李虎手中股份占公司总股本的53.4816%，系公司控股股东。

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