抓住发展机遇，抢先布局先进半导体存储技术

数字经济时代，如何更好获取并利用数据这一新型生产要素已成为全球竞争的新战场。随着数据上升为国家级战略，存储作为数字世界的基石，数据存储的能力将直接影响经济社会发展的质量。从数据的生产活动出发，存储既是数据生命周期的起点，也是终点，协同算力、网络连接能力一起为上层应用分析提供数据生产要素。三者共同构成了数字基础设施，对于构筑数字世界来说缺一不可。

当下发展存储产业该如何抓住“牛鼻子”？4月20日，在《数据存力，高质量发展的数字基石》白皮书发布仪式上，全国人大代表、华中科技大学计算机科学与技术学院院长冯丹表示，一方面要发展国家的存储产业，要整个产业链拉通，尽量发展基于闪存的先进存储，以此为基础构建存储设备、存储系统。另一方面，要加快部署下一代新型非易失存储等技术，包括核心技术的底层研发、技术攻关，以此来打造全球存储创新高地。

时代需要更快、更可靠和更安全的存储

人类文明的演进，就是一部数据记录与传承的历史。5000多年前，在文字出现之前，人类通过结绳记事进行信息记录与传递。3000多年前，人们将文字刻在龟甲与兽骨上记录当时的社会生活。2200多年前，造纸术的发明对人类文明的记录和传承起着重大的推进作用。随着上世纪计算机的发明，人类进入数字时代，1956年，IBM发明了世界上第一个硬盘，以硬盘为核心的磁介质很长时间一直是主流介质。

“存储产品最早起源于纸带打孔机，1956年IBM生产了第一台磁盘，容量只有3.75Mb，但是重量达到一吨。”冯丹介绍说，“20世纪80年代提出了磁盘阵列技术，将多个独立磁盘通过控制器统一管理，让用户像用大硬盘一样方便，这就是磁盘阵列的产生。磁盘阵列已成为当前所有的数据中心，包括一些服务器后台配备的基本存储形式。”

从数据的产生、处理到最后消亡，整个数据的生命周期都离不开存储。存储是数据的载体，是整个ICT系统数据的基石。存储系统有在线存储，主要用于做各种在线的处理；另外还有近线存储，以及用于数据长期归档备份的离线存储。

大数据时代，爆炸增长的数据一定离不开存储的支撑。用户对存储主要的诉求就是不能丢，访问的时候不能停、不能等，希望能够“一访即得”。

“不管是遭遇自然灾害，还是系统的软硬件故障、病毒入侵、人为错误等，数据都不能丢。数据丢失就会导致灾难性的后果，比如欧洲的OVH机房着火，使大量的客户数据没办法恢复。而著名的‘9·11’事件，在那两栋楼里面就有300多家公司因为数据的丢失直接关门了。还有系统的软硬件故障，如勒索病毒入侵，实际上也是让你的数据不能访问，或者是篡改你的数据。至于人为错误把数据删除掉之后导致的后果也有，比如说某上市公司的数据库被删除之后，市值蒸发超过30亿港元，赔付商家1.2亿元人民币。”因此，冯丹强调，数据是非常宝贵的资源，因而作为数据载体的存储也是非常重要的。

不难看出，数据存储是经济高质量发展的基石，数据能否“存得下、存得好”关乎数字基础设施能否“行得稳”，关乎数字经济发展能否“跑得快、跑得远”，关乎数据要素能否“接地气”，切实带来生产生活进步、促进经济社会高质量发展。在数字经济正如火如荼发展的当下，存储需要走向更快、更可靠和更安全。

发展半导体存储是趋势更是机遇

在现实应用中，数据存力以存储为核心，存储的含金量决定了数据存力的成色。

存储的物理介质目前主要有磁、光、电三种，磁从软盘、磁带到硬盘，现在用得比较多的就是硬盘。光就是CD、DVD、蓝光存储等。电就是半导体存储，包括内存条、DRAM，还有目前常用的闪存存储（NAND Flash），以及用闪存构成的固态盘等。还有下一代的半导体存储正在研发和酝酿中，包括相变PRAM、阻变RRAM、磁阻MRAM等。

当前存储系统中用到的设备主要是硬盘、固态盘两种。“目前来看，硬盘已经由希捷、西数、东芝三家垄断。整个硬盘的专利有4000多项，其中核心专利近400项，基本上由这些企业把持。我们国家要发展硬盘产业，目前来看是非常难的。”冯丹说，另外一种设备就是固态盘（SSD），也是当前发展的热点。固态盘是以闪存芯片NAND Flash为基础构成的，由于闪存盘去掉了机械结构，在容量、性能、可靠性、能耗上都显著优于机械硬盘。

从存储设备来看，固态盘代替硬盘是国际上总的发展趋势。

冯丹介绍，从技术上看，闪存固态盘相比机械硬盘优势明显：高性能、低功耗、强抗震。闪存固态盘由于用的是NAND Flash芯片，延迟在100微秒左右，最大的IOPS可以达到150万量级，由于没有机械操作，抗震能力比硬盘更强。

从价格上看，闪存固态盘和机械硬盘的价格差距正在逐步缩小。2020年-2025年，固态盘每GB价格预计以19%的年复合增长率下降，到2025年，固态盘每GB价格会低于2.5英寸10000转的机械硬盘的价格。

因此无论是从性能、可靠性还有低功耗和价格来看，固态盘代替硬盘都成为一种发展趋势。冯丹强调，我国应准确把握这一趋势，加快先进存储产业创新升级。

“善弈者谋势，善治者谋全局”，如今国家在闪存芯片产业链上下游已经有了周密的布局，希望借助存储技术又一次革命的机会，构建好我国数字经济发展的数据基石。“要加快部署下一代存储技术，抓住存储全球发展的机遇，以此来部署创新技术、聚集人才。建议抓住固态盘代替硬盘的发展趋势，以满足大容量数据中心升级需要，打通整个产业链，从存储芯片到设备、系统，整个产业链加快新兴存储技术的升级，筑牢数字中国的基石，打造良好的国产化产业链生态。希望经过学界、产业界的共同努力，存储技术进一步得到发展，特别是在推动技术标准制定、引领技术发展等方面发挥作用。期待着存储产业发展得越来越好。”冯丹最后总结说。（记者徐勇）

来源： 人民邮电报

ReRAM：DRAM和NAND的最强继任者？

存储器是半导体产业的重要分支，约占全球半导体市场的四分之一至三分之一。存储器已经形成主要由DRAM与Flash构成的超千亿美元的市场。尽管存储器产品品类众多，但从产品营收贡献的角度来看，DRAM和Flash（NAND、NOR）的营收占比超95%。

DRAM与Flash虽然在存储器领域近乎“绝对垄断”，但是，人工智能、物联网、5G到来，都加速了数字化浪潮来袭。在这个背景下，数据处理的需求量呈指数级上升，半导体从业者纷纷加大对存储技术的研发与投资，想实现成本更低、速度更快、效能更好的存储。

龙头也有短板

存储市场中，最常见且被广泛应用的存储器为DRAM与NAND。近年来随着半导体制程持续朝更小的技术节点迈进，DRAM与NAND严重面临尺寸微缩挑战，DRAM目前已接近微缩极限，而NAND则全力朝3D架构转型。

此外，随着数据量的爆发增长，DRAM及NAND在耗电量及数据访问速度上已无法跟上需求的脚步。他们在需要高速运算的应用场景中也有一些阻碍。

基于这些原因，下一代存储技术为了补位，出现在大家的视野中。

新生代存储：PCRAM、MRAM、ReRAM

经过各个厂商数十年的不懈努力，下一代存储已经出现了几位极具潜力的种子选手：PCRAM、磁阻式内存MRAM、以及电阻式内存ReRAM。这些新兴存储的技术性能也各有差异。

PCRAM（相变随机存储器）

PCRAM是一种利用相变材料作为存储介质，通过相变材料在电流的焦耳热作用下，在结晶相态和非晶相态之间快速并可逆的转换时，会呈现出的不同电阻率这一特性来实现数据存储的技术。

与NAND相比，PCRAM在写入更新代码之前不需要擦除以前的代码或数据，所以在速度方面，比NAND有优势，读写时间较为均衡。然而，PCRAM虽然读写速度比NAND有所提高，但冷却过程会带来更高功耗。其次，为了使相变材料兼容CMOS工艺，PCRAM必须采取多层结构，因此存储密度过低，在容量上无法替代NAND。

PCRAM早已逐渐步入产业化进程。

2006年，英特尔和美光成立IM Flash Technologies，开始合作研发新的存储器技术。2012年，双方开始合作3D XPoint存储项目，3D XPoint技术也是PCRAM的一种。2015年7月，美光和因特尔联合发表了发表双方共同研发的存储器技术：3D XPoint存储器技术。

MARM（磁性随机存储器）

MRAM（磁性随机存储器）靠磁场极化而非电荷来存储数据，存储单元由自由磁层、隧道栅层、固定磁层组成。自由磁层的磁场极化方向可以改变，固定层的磁场方向不变，当自由层与固定层的磁场方向平行时，存储单元呈现低电阻；反之呈高电阻，通过检测存储单元电阻的高低，即可判断所存数据是0还是1。MRAM拥有SRAM的高速读取写入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。

MRAM最大的缺点是存储单元之间存在干扰，当对目标位进行编程时，非目标位中的自由层很容易被误编程，尤其是在高密度情况下，相邻单元间的磁场的交叠会愈加严重。

从开始研究到现在，MRAM已经有20多年历史了。

上世纪末，前沿半导体公司已经开始对MRAM的研究。1995年摩托罗拉（其芯片部门后独立成为飞思卡尔半导体，飞思卡尔半导体在2015年被恩智浦收购）演示了第一个MRAM芯片，并生产出了1MB的芯片原型。

20多年来，IBM、TDK、STT、Intel、格芯、ST意法半导体等公司相继入局，都在MRAM的商用产品上有了自己的产品或技术。今年1月份，三星公司成功开发出新的MRAM阵列。

ReRAM（阻变存储器）

ReRAM（阻变存储器，也称忆阻器）是当下最有前景的新型非易失性存储技术之一，其器件结构简单，操作方式简捷，具有尺寸易于缩小，高速度，低功耗，低成本，易与CMOS工艺兼容等诸多特点。

典型的ReRAM由两个金属电极夹一个薄介电层组成，介电层作为离子传输和存储介质。在上下电极间施加电压，中间的阻变层中会形成一条导电通道。通过改变上下电极间的电压来控制导电通道的状态，进而使得存储器件的电阻值发生变化。不同的电阻值代表不同的存储状态，即使去掉电极上的电压信号，电阻值仍然会继续保持，因此可以实现非易失性存储。

ReRAM的单元面积小，读写速度是NAND的1000倍，同时功耗可以降低15倍。

ReRAM工艺也更为简单。以Crossbar为例，Crossbar的ReRAM能够使用标准的CMOS工艺与设备，对产线无污染，整体制造成本低，可以很容易地让半导体代工厂具备ReRAM的生产制造能力，这对于量产和商业化推动有很大优势。

从密度、能效比、成本、工艺制程和良率各方面综合衡量，ReRAM存储器在目前已有的新型存储器中具备明显优势。

多点开花的ReRAM应用领域

ReRAM的优越性能也让其应用也十分广泛。

AIoT：效能与安全是要义

AIoT主要由微型设备组成，供电能力弱且需要数据实时交互，因此不仅要求存储器件低功耗，也需要高速度和低延迟。ReRAM在读写速度和功耗几倍到几百倍的提升，并可实现更高的存储密度。

AIoT的数据要求具备基本的信息安全和隐私保护能力。一些厂商的ReRAM都带有PUF密钥，每颗存储芯片都拥有唯一信任根和唯一主动标识ID，结合通用密码算法，实现数据和程序的防复制和防篡改能力。

人工智能：亟需打破存储墙

人工智能不断发展，对存储和计算提出了更高的要求。目前计算机还是依然延续冯·诺依曼结构，存储单元和计算单元独立分开，

现有冯·诺伊曼计算系统采用存储和运算分离的架构，存在“存储墙”与“功耗墙”瓶颈，严重制约系统算力和能效的提升。“能效比低”已经成为人工智能芯片的瓶颈问题。

ReRAM可以直接在芯片上集成处理逻辑，从而实现全新的以内存为中心的SoC架构。ReRAM的优越特性有助于解决这些算法所需的性能和能源挑战。通过减少存储和计算之间的性能差距。

数据中心：高速计算提出更高要求

DRAM读写速度很快，但是无法下电保存数据，NAND密度高，可以下电保存数据，但是读写速度延迟高。高速计算、5G、万物互联等应用场景正在推动数据中心、智能终端的高速增长和转型，对数据中心和智能终端提出了性能的更高要求。

通过利用ReRAM密度高、能耗低、读写速度快及可下电数据保存的特点，能帮助用户大幅提升数据中心性能，降低能耗，达到运营成本的大幅降低。

国内外厂商的ReRAM布局

ReRAM相比MRAM和PRAM，研究要稍晚。2000年，夏普购买了美国休斯敦大学的相关专利后，才引起学术界和业界的研究。由于ReRAM独特的优势，主流存储器厂商也纷纷投入力量，开始对ReRAM的研究。ReRAM也已经由实验室阶段进入到企业的研发阶段。

松下在2013年开始出货ReRAM，成为了世界第一家出货ReRAM的公司。

2016年11月，富士通半导体开始销售其与Panasonic共同开发的4兆字节（MB）ReRAM芯片。今年4月，富士通推出12Mbit ReRAM MB85AS12MT，这是富士通ReRAM产品系列中密度最大的产品。

ReRAM技术的领导者Crossbar成立于2010年。Crossbar将其技术作为现成的或定制的IP内核授权给SoC和内存公司。Crossbar也在积极发展其生态系统硬件和软件合作伙伴。2021年7月，Crossbar它宣布将其ReRAM设备用于PUF应用。

Intrinsic是伦敦大学学院的一家衍生公司，旨在将新型忆阻ReRAM器件商业化。今年2月份，Intrinsic及其合作伙伴imec已将Intrinsic的ReRAM技术扩展到50nm。

今年3月，Weebit宣布，借助CEA-Leti，将其ReRAM技术缩小到22nm。两家公司正在设计一个完整的IP内存模块，该模块集成了一个针对先进的22nmFD-SOI工艺的多兆位ReRAM块。Weebit也正在迅速加快其开发计划。

实质上，除去专门研究生产ReRAM的存储厂商，还有一些存储厂商采取的是两边下注的策略。因为他们要确保一旦DRAM和NAND不能再满足市场发展需求，必须有一些研究成果可以取而代之。

2016年，西部数据就宣布将在即将推出的专用SSD中使用3D ReRAM，以取代NAND闪存。

国内在ReRAM领域的研究也有了一些成果。

今年2月16日，由昕原半导体主导建设的大陆首条28/22nm ReRAM 12寸中试生产线顺利完成了自主研发设备的装机验收工作，实现了中试线工艺流程的通线，并成功流片。

实际上，昕原半导体专注于ReRAM领域，是一家集核心技术、工艺制程、芯片设计、IP授权和生产服务于一体的新型IDM公司。该公司的核心产品覆盖高工艺嵌入式存储、高密度非易失性存储、存内计算及存内搜索等多个领域。

除了IDM厂商外，代工厂商也积极发展先进技术以配合ReRAM的发展与生产。

2016年，中芯国际与Crossbar签订一份代工协议，基于中芯国际40纳米CMOS制造工艺，为Crossbar生产ReRAM。2017年，中芯国际正式出样40nm工艺的ReRAM芯片。

2021年，台积电40nmReRAM进入量产，28nm和22nmReRAM准备量产。

ReRAM未来前景光明，近几年，也是ReRAM发展最关键的时期。在新兴的存储技术中，ReRAM技术对于降低存储器计算的能耗、提高成本效益至关重要，因而极具发展前景。然而，要想把握这些机会，真正成为DRAM和NAND的继任者，ReRAM还有很长的路要走。

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