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3D Xpoint等下一代存储技术成新一代存储器市场焦点

张锦锐 2020.03.26

当前存储市场正处于多种技术路线并行迭代的关键时期。一方面,应用极为广泛的DRAM和NAND Flash,是目前存储市场上当之无愧的主流产品,但都面临制程持续微缩的物理极限挑战,未来持续提升性能与降低成本变得更加困难。另一方面,3D XPoint、MRAM(磁阻式随机存取存储器)、RRAM(可变电阻式存储器)等下一代存储技术不断开发,取得技术突破并进入市场应用,ReRAM等技术研发布局加速开展,市场空间有待挖掘。



半导体巨擘全面下注新一代存储器市场

全球半导体巨擘正在下一代新型存储器市场展开强力竞争,目前英特尔、美光、三星与台积电等半导体大厂皆已大举投入下一代存储器的开发。三星电子正大力发展MRAM存储器,在韩国器兴厂区率先进入大规模生产。而另一半导体巨擘英特尔则是强攻含3D XPoint技术的PRAM型存储器。台积电同样重视下一代存储器的开发,目前已具备量产MRAM及阻变存储器(RRAM)等新型存储器之技术。



国内前瞻布局下一代技术存储器

虽然我国在传统存储器布局落后很多,但在下一代技术存储器早已战略布局。我国科研力量在未来存储器的产业技术竞争扮演相当重要角色。当前中科院微电子所集成电路先导工艺研发中心研究员赵超与北京航空航天大学教授赵巍胜的联合团队通过研发,已经在STT-MRAM关键工艺技术研究上实现了重要突破,此外,中国企业在新一代存储器领域正积极开展新型结构、材料、工艺集成的前瞻性研究。我国在下一代技术存储器的战略布局将助推我国参与到新一代存储器竞争行列中,避免国外厂商的全面垄断。



3D XPoint 和 STT-MRAM技术不断突破,发展势头良好

——3D XPoint发展迅速,未来拥有巨大挖掘空间

当前标准型内存DRAM、NAND Flash 等微缩制程逼近极限,3D XPoint发展迅速,已处于领先地位。相比于NAND Flash,3D XPoint拥有较低的延迟率,在 PCIe/NVMe 接口连接的时候,拥有高10倍的性能,且使用时间会长1000倍、速度也将提升1000倍,持续读写次循环超过 100 万次,这意味着这个存储一旦装上,在完好的情况下,可以永久使用。在大数据热潮兴起的背景下,未来3D XPoint仍面临巨大的挖掘空间。


——STT-MRAM不断取得重要技术突破、进入风险量产阶段

从一开始的Field MRAM,进展到in-plane MRAM,而发展到如今的STT-MRAM,STT-MRAM一路从翻转磁化方向的机制改为自旋力矩移转控制,在密度与效能上都得到了提升,此外,在操作速度方面,STT-MRAM与SRAM与DRAM的特性较为接近,因此成为追求速度的新选项,再加上其具有非挥发的特性,已经成为众多相关领域企业投入的重点技术。当前STT-MRAM主要应用市场包含IoT、车用、消费与行动装置的MCU等,未来随着其技术突破与容量的提升,STT-MRAM的应用将更为广泛。



各大企业纷纷开展ReRAM技术研发布局

相比于NAND较慢的传输速度和DRAM易失性的不足,ReRAM具有电阻式随机存取以及非易失性存储器的特点,其在可扩展性、CMOS兼容性、低功耗和电导调制效应方面具有明显优势,未来前景可观,吸引各大巨头企业纷纷布局。ReRAM可以轻松扩展到先进工艺节点,能够进行大批量生产和供应,并且能够满足神经形态计算等应用对能耗和速度的要求。当前Crossbar已经向市场推出ReRAM解决方案,该解决方案能够实现构建3D ReRAM存储芯片。此外,东芝、Elpida、索尼、松下、美光、海力士、富士通等厂商也在开展ReRAM的研究和生产工作。在制造方面,中芯国际(SMIC)、台积电(TSMC)和联电(UMC)都已经将ReRAM纳入自己未来的发展线路图中。

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