NAND代替dram ReRAM：DRAM和NAND的最强继任者？

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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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。

闪存的新一轮争霸赛

2021年，在居家办公、线上教学的普及之下，NAND整体需求大增，价格也是持续攀升。而到了2022年，与大家所预想中的降价局面相反，工厂原料污染、地震、设备供应限制等一系列意外反而让NAND闪存迎来了新一轮的上涨。2022年，闪存新的开局似乎并不平坦，但显然并不妨碍其成为“资本宠儿”。

近日，IC Insights 预测，今年 NAND 闪存资本支出将增长 8% 至 299 亿美元，创历史新高，占 2022 年整个IC 行业资本支出（预测 1904 亿美元）的16%，仅落后于晶圆代工部门41%的占比。

图片来源：IC Insights

晶圆代工产业向来是业内公认的资本大头，闪存资本支出不敌代工可以说是毫不意外。从上图来看，自2017年产业由2D向3D NAND过渡后，每年闪存资本支出都超200亿美元，而今年更是向300亿美元冲刺。不断攀升的资本支出背后，说到底，其实是大厂们对产能和层数的追求。

建厂、收购，巨头产能布局如何？

当前全球NAND闪存市场呈现“多头竞争”态势，从2021年第四季NAND Flash厂商市占率来看，三星电子以33.1%位列第一，日本铠侠占据全球市场第二位（19.2%），其后依次是西部数据（14.2%）、SK海力士（14.1%）、美光（10.2%）。

图片来源：TrendForce集邦咨询

市占率竞争背后，是厂商间的产能之战。当前多变的格局让闪存出货量受到了多重因素的影响，前有铠侠与西部数据合资工厂因原材料污染问题导出货受损，后有俄乌冲突冲击全球半导体产业，夹击之下的产能分布又呈现出怎样的格局？

·三星电子

三星电子作为全球最大的NAND 闪存和DRAM供应商，自2002年夺得市场冠军后，已连续20年位居全球榜首。公开消息显示，三星在韩国平泽、中国西安都有NAND工厂。

三星在平泽拥有较大的半导体厂区，有韩媒报道，三星电子计划2030 年前在平泽厂区兴建6 个半导体工厂。

其中平泽P1厂，于2017年开始在一楼进行64层NAND的生产，2018年，二楼增设了DRAM产线。一楼和二楼每月wafer产能分别为10万片和20万片，月总产能约30万片。

平泽P2厂于2018年确认兴建，2019年竣工并且配备完毕，自2021 年开始营运，主要用于扩大DRAM、NAND Flash存储器的产能，总投资额约30万亿韩元，产能规模与一期相当。2020年5月，三星投资8兆韩元扩增内存NAND Flash 生产线，计划2021下半年开始量产先进的V-NAND芯片。

平泽P3厂则于2020年开始动工，占地规模比建成的P2要大，预计可能是DRAM、NAND Flash、系统半导体等混合工厂。据韩媒最新报道，P3工厂已经进入到基础设施投放的环节，正在准备一条176层3D NAND生产线，初期月产能约10K，DRAM和晶圆代工随后同时开建。目前消息显示，P3厂计划2023 年下半年竣工，将成为全球最大的半导体工厂，不过业界目前盛传P3 厂将提前至2022 年投产。业界人士透露，P3 厂提前完工后，三星也将在今年提前建设平泽四厂(P4)。

除了韩国平泽外，三星还计划在中国西安打造全球最大的闪存基地。

韩国《STRAIGHTNEWS》最新新闻指出，三星电子近期完成了在西安建设的半导体二期扩建工程，并正式投入生产。三星电子西安二期项目的投产，达到13万片/月的产能，再加上原来每月12万片的产量，产能将达到25万片/月。通过此次扩建，三星电子的NAND闪存生产能力将占世界市场的10%以上。

西安三星半导体一期项目于2012年9月开工建设，2014年5月建成投产，其中闪存芯片项目投资100亿美元。二期项目于2017年投资70 亿美元建设，于2019年追加投资 80 亿美元进一步扩大规模。

·铠侠

铠侠是全球第二大NAND 型快闪记忆体厂，今年年初发生材料污染的晶圆厂就是铠侠与西部数据位于日本三重县四日市和岩手县北上市的工厂。

日本四日市是铠侠重要的生产基地，1992年成立的四日市工厂，1992年4月第一座制造大楼落成，目前用于生产3D NAND的厂房，包括Fab2、Fab3、Fab4、Fab5、Fab6。

2020年年底，为加速追赶三星，铠侠曾在两个月内两次宣布扩建3D NAND闪存晶圆厂。2020年10月，铠侠宣布为了加强3D NAND Flash产品BiCS FLASH的产能，决定于2021年春季，在日本三重县的四日市工厂兴建新厂房Fab7。同年12月，铠侠再次宣布将在日本岩手县现有的K1工厂旁预留出13.6万平方米面积作为K2厂区的建设空间，据悉，K2厂房规模将达K1的2倍，将成为铠侠旗下最大规模的厂房。如果计划顺利进行，这两座新的晶圆厂都将在2023至2024年左右全面落成。

时隔一年多，铠侠再次宣布扩产。今年3月23日，铠侠宣布，将开始对位于日本岩手县北上市的工厂进行扩建，兴建新的Fab 2工厂，以提高3D NAND闪存的产量。铠侠表示，此次扩建计划2022年4月开始动工，预计2023年竣工，未来会专注于BiCS Flash的生产。

·SK海力士

从产能方面来看，SK海力士的NAND闪存产能主要在韩国，目前主要生产基地有清州M11、M12、M15以及利川M14。据韩媒Ddaily报道，SK海力士将从今年Q3开始在现有M15厂区内通过扩充生产设备的方式全力运营M15。据悉，从去年年底开始，M15就开始投入无尘室建设，预计2022年10月完工后，便会开始移入相关设备，NAND产能有望得到进一步的提升。

除了上述NAND生产基地外，SK海力士通过收购英国存储业务，在中国大连也有了NAND的布局。

2020年10月，英特尔宣布把存储业务以90亿美元的价格出售给SK海力士，包括英特尔的NAND（非易失性存储）固态硬盘业务、NAND组件和晶圆业务，以及位于中国大连的NAND闪存生产基地。2021年12月30日，SK海力士完成了收购Intel NAND闪存及SSD业务案的第一阶段。

具体来看，收购款90亿美元中，SK海力士第一阶段交割70亿美元并接手基于英特尔闪存的数据存储装置SSD（Solid-State Drive）业务及其位于中国大连的晶圆厂“Fab 68”。2025年3月支付剩余20亿美元后接管晶圆研发（R&D）和大连工厂资产，最终完成收购。

在2020年财报会议上，SK海力士首席执行官李锡熙表示，收购英特尔的闪存业务后将使公司的相关收入在五年内达到收购前的三倍。从最新的消息来看，SK海力士日前曾表示，公司完成收购英特尔NAND事业的第一阶段后，预计NAND的出货量增加到一倍。

CFM闪存市场数据显示，SK海力士收购英特尔大连NAND工厂之后，其NAND市占率有望超过20%。

·美光

美光虽然在美国弗吉尼亚州马纳萨斯有一家小型DRAM 和 NAND 工厂，但其主要NAND工厂在新加坡制造，DRAM 工厂则是在台湾和日本。

美光在新加坡不仅成立了非易失性存储器的NAND卓越中心，还设立了公司最大规模的制造基地，其中包括三个200毫米和300毫米的存储器晶圆厂，以及一个测试和组装厂。2016年美光在新加坡成立NAND卓越中心，包括新加坡Fab 10晶圆厂区，负责生产最新一代3D NAND闪存。2018年，美光宣布继目前在新加坡拥有Fab 10N、Fab 10X两座NAND Flash快闪存储器工厂之后，将在当地兴建第3座NAND Flash快闪存储器工厂。2019年，第3座工厂建设完成。

层数“厮杀”或迈入200层

在PC、智能手机的推动下，人们对于闪存的存储要求越来越高，然而随着工艺的提升，在平面上提升容量显然已无法满足要求，厂商们便开始转向在垂直方向上提升容量，3D NAND就此诞生，相比2D NAND，3D NAND通过将原本平铺的储存单元堆叠起来，形成多层结构，来提供容量，使原本只有1层的储存单元，堆叠成64层甚至更多。

换句话说，对于3D NAND，层数越高，可具有的容量就越大，因此，增加层数以及提高产量是衡量技术实力的标准。毫无疑问，闪存层数数量也自然而然得成为了各大厂商技术比拼的最直接的评判标准之一。

2014-2023年的世界领先存储公司的闪存路线图

图片来源：TechInsights

·三星

三星称3D NAND技术为V-NAND，从上述路线图可以看出，三星电子最早在3D NAND开拓疆土，2013年8月初就宣布量产世界首款3D NAND，并于2015年推出32层的V-NAND，之后，又陆续推出48层、64层、92层、128层的V-NAND。

可以说，在3D闪存方面，三星之前一直处于领先状态。但近几年，在128层、176层NAND上，三星却被接连被SK海力士、美光赶超，原计划2021年末开始量产的176层NAND也推迟到2022年第一季度。不过对于三星来说，在下一代闪存上面追赶上来，重新获取领先优势还是很有希望的。

据businesskorea日前报道，三星电子将在2022年底推出200层以上的第8代NAND闪存。与上一代176层NAND产品相比，224层NAND闪存可以将生产效率和数据传输速度将提高30%。

·铠侠

铠侠除了全球第二大存储厂外，也是NAND的发明者。1987年铠侠的前身东芝存储推出了全球首个NAND闪存芯片。不过相比三星、SK海力士，铠侠开始生产3D NAND的时间较晚，2016年才开始生产。

截至目前，其BiCS Flash层数已经从48层到64层、96层、112层到了现在的162层。值得注意的是，铠侠在不断增加层数的同时也在不断提升平面密度。在162层第六代BiCS (BiCS6)中，铠侠采用CUA结构，即CMOS电路配置在存储阵列下方，该设计最早出现于美光64层堆叠3D闪存当中，可以缩小芯片面积，从而在每片晶圆中产出更多的芯片。据了解，未来，铠侠会引入CBA结构，在垂直和水平上缩小Die尺寸。

·SK海力士

SK 海力士在3D NAND上稍晚于三星，于2014年推出3D NAND产品，并在2015年推出了36层的3D NAND，后续按照48层、72层/76层、96层、128层、176层的顺序发展。其中，128层属于全球首发。

在2019年的美国闪存峰会上，SK海力士曾公布3D NAND技术路线图，从该技术路线图来看，当前SK海力士闪存产品的推出都按照计划进行中，已达到V7等级。此外，此路线图还展示，在2025年SK海力士 3D NAND将达到500层的堆叠高度，2030年将达到800多层。

图片来源：闪存市场

在2021年的 IEEE 国际可靠性物理研讨会上，SK 海力士首席执行官李锡熙曾表示，其正在改进 DRAM 和 NAND 各个领域的技术发展所需的材料和设计结构，并逐步解决可靠性问题。如果以此为基础，并取得创新，将来有可能实现 10nm 以下的 DRAM 工艺和堆叠 600 层以上的 NAND。

总的来说，虽然该技术路线图未提到2022年，但从技术更迭速度来看，2022年，SK海力士也是有望在200层以上一争高下。

·美光

美光在2020年11月宣布量产业界首个176层堆栈的NAND Flash闪存，产品在新加坡工厂量产，并通过其Crucial消费类SSD产品线送样给客户。

据了解，美光176层3D NAND部件是使用2个88层平台的字符串堆叠构建的512Gbit TLC芯片，与上一代128层3D NAND技术相比，将读取延迟和写入延迟改善了35%以上，基于ONFI接口协议规范，最大数据传输速率1600 MT/s，提高了33%，混合工作负载性能提高15%，紧凑设计使裸片尺寸减小约30%。2022年1月25日，美光科技发文称，已批量出货全球首款 176层QLC(四层单元)NAND固态硬盘(SSD)。

本土破局之道

相比全球的“大刀阔斧”，我国闪存产业就显得有点低调。由于起步较晚且缺乏技术经验累积，我国闪存技术与国际原厂之间存在一定的差距，存储芯片技术基础薄弱。

虽然发展面临一定的难题，但当前以智能手机、计算机等消费电子领域等为代表的应用正推动着中国3D NAND闪存芯片市场需求的增长。据民生证券2021年7月统计，中国是全球第二大NAND市场，NAND Flash 需求占全球 31%，但本土供应市占不足1%。

图片来源：民生证券

巨大的市场需求之下是潜在的发展机遇，再加上边缘政治冲突加大了企业对芯片国产替代的迫切心理，我国半导体产业发展势头空前迅猛，政府也在积极通过政策引导和产业资金扶持，鼓励本土存储芯片企业加强技术研发，以减少差距，早日实现自主研发。

而对于企业来说，更应该注意产业的发展周期。众所周知，NAND闪存是一个价格涨落具有明显周期性的行业，而价格的涨落又会带动整个行业形成较为明显的荣衰周期。因此，本土企业发展不仅要不断拓展、持续更新，更应该根据市场情况的变动灵活调解产能和产品推出的节奏，才能在竞争中存活下来。

行业加速发展的背景下，本土3D NAND厂商也在“闷声干大事”。以长江存储为例，作为3D NAND新晋者，长江存储在2020年4月初发布128层3D NAND ，容量分别为1.33Tb QLC和512Gb TLC 3D NAND，目前基于长江存储128层闪存技术打造的固态硬盘已经上市。此外，长江存储武汉存储器基地一期产能已稳定量产，二期也于2020年开工，持续扩大产能。

写在最后

Allied Market Research报告显示，2020 年全球 3D NAND 闪存产业产值123.8 亿美元，预计到2030 年将产值 784.2 亿美元，2021 年至 2030 年的复合年增长率为 20.3%。无论是开头提到的资本支出还是这份报告显示产业产值增长率，似乎都在说明3D NAND迎来了新一轮的上行周期，而全球巨头也开始进入产能和层数的双重“厮杀”。

但是，对于本土企业来说，虽说要时刻注意市场趋势，但也不必过于“紧绷”，毕竟面临一场下行周期未必完全就是一件坏事，或许只有经历了一轮行业周期的磨练才能成长为一家有竞争力的企业。

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