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半导体入门,来看存储器的最新产品趋势

2018年3月8日 22:03:18

本文来自微信公众号“独角兽智库”,作者独角兽研究,原标题为《半导体入门系列之二》。

上一系列讲了半导体行业的基本概念、市场规模、核心环节和增长驱动力(系列一为《半导体入门,你需要了解的二三事》),今天将进行细分领域的讨论。相信存储器涨价应该是大家过去一年多印象最深的半导体行业新闻,存储器类似大脑记忆功能,在大数据需求下,市场规模增长最快,将超过逻辑芯片成为最大的细分市场,因此系列二选择存储器作为首先讨论的细分内容,本文包括三部分,一是存储器的历史,二是存储器的分类,三是存储器的最新产品趋势。

一、存储器的历史

1)关键事件

如果要给存储器的历史给出一个最关键的事件会是什么?答案是1972年英特尔发布的1KbDRAM(动态随机存取存储器,最为常见的系统内存),这标志着全球半导体DRAM内存时代的到来,它对于全球半导体工业的意义不亚于美国第一颗原子弹爆炸,因为CPU与DRAM的关系就像大脑的思维和记忆,CPU所要处理的数据、指令和大部分正在处理的中间数据都会放到DRAM中等待,这要求DRAM和CPU之间的速度保持匹配。在这之前,存储器是用磁芯制成的(发明者是华人王安博士),即在铁氧体磁环里穿进一根导线,导线中流过不同方向的电流时,可使磁环按两种不同方向磁化,代表“1”或“0”的信息便以磁场形式储存下来;而DRAM的基本原理是利用电容内存储电荷的多寡来代表0和1。

英特尔1KDRAM产品的成本只有磁芯存储器的10%,它成功的关键在于采用MOS工艺取代传统的双极性工艺技术,相对于双极性技术,MOS技术不仅能耗少,而且集成度高。下面对MOS技术和双级性技术做下概念解释:

1、双级性技术就是用双级型晶体管(即三极管)为基础的工艺技术,它是一种电流控制型器件,由输入电流控制输出电流,其本身具有电流放大作用,它工作时有电子和空穴两种载流子参与导电过程,故称为双极型三极管;MOS是MOSFET的缩写,全称金属-氧化物半导体场效应晶体管,属于单极型晶体管,是一种电压控制型器件,由输入电压产生的电场效应来控制输出电流的大小,它工作时只有一种载流子参与导电,故称为单极型晶体管。

2、MOSFET第一个重要优势是功耗,因为它的输入电阻很大,几乎不消耗电流,而双级性输入电阻小,消耗电流大;MOSFET第二个重要优势是可以按比例缩小。这两大优势决定了在大规模集成电路中基本都是使用MOSFET技术,而双极型晶体管由于能提供较高的跨导和输出电阻,并具有高速、耐久的特性,因此依旧是组成模拟电路,尤其是甚高频应用电路(如无线通信系统中的射频电路)的重要配件。

2)行业竞争历史

我把该行业中各个国家的重要事件按照时间顺序列了个表,这样应该更方便看懂其中的逻辑(如果读者看不清,可以联系我们要excel版)。

关于行业竞争历史,个人主要有几个感想:

1、作为DRAM存储器开拓者的英特尔,以及曾经的霸主莫斯泰克(被意法半导体收购),都被日本在10年内赶超,可见在关键技术变革和市场机遇时期,没有确定赢家,中国当前的机会也是这个逻辑;

2、日本和韩国在存储器上的发展离不开美国的技术支持,但是成也美国、败也美国,美国认定日本倾销并迫使日元升值后,韩国就全面赶超日本,可见自主技术、本国市场空间和政治自主在这种前沿核心技术上的重要性;

3、先进技术(人才)、市场空间和资金是这个行业成功的三个关键因素,中国在半导体行业曾经领先日本、韩国和台湾,但是在美国技术封锁和资金缺乏下慢慢落后,现在已落后多年,而在新的半导体景气周期下,先进技术(人才)将是中国成功的关键。

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二、存储器的分类

存储器按照停止供应电源后是否还能保留数据来划分的话,可以分为易失性存储器和非易失性存储器,俗称内存和闪存(下图只包含了部分常用存储器)。

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在实际应用中,基本所有电子产品都需要存储器,而具体应用不同,对存储器的要求就会不同,如果按照对存储容量、运算速度和单位价格的要求来划分,存储器还可以细分为寄存器、高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器(下图是台湾的叫法,大家对应理解一下)。

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1)寄存器、高速缓冲存储器和主存储器的关系:

1、寄存器是CPU内部的元件,容量最小、读写速度最快,用来暂存指令、数据和位址。

2、高速缓冲存储器(Cache)是位于CPU与主内存间的一种容量较小但速度很高的存储器,由于CPU的速度远高于主内存,CPU直接从内存中存取数据要等待一定时间周期,Cache中保存着CPU刚用过或循环使用的一部分数据,当CPU再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用,这样就减少了CPU的等待时间,提高了系统的效率。Cache又分为一级Cache(L1Cache)和二级Cache(L2 Cache),L1 Cache集成在CPU内部,L2 Cache早期一般是焊在主板上,现在也都集成在CPU内部,常见的容量有256KB或512KBL2 Cache。

3、大致来说,数据是通过内存-Cache-寄存器到达CPU的,Cache缓存则是为了弥补CPU与内存之间运算速度的差异而设置的的部件。

高速缓冲存储器以SRAM为主(静态随机存取存储器),主存储器以DRAM为主(动态随机存取存储器,现在已经有很多升级,比如SDRAM、DDRSDRAM,大家知道它们是一个大类就行)。

2)辅助存储器:

辅助存储器以Flash(闪存)为主,包括NOR型与NAND型。NOR型闪存更像内存,有独立的地址线和数据线,但价格比较贵,容量比较小,而NAND型更像硬盘,地址线和数据线是共用的I/O线,类似硬盘的所有信息都通过一条硬盘线传送一般,成本低,容量大。因此,NOR型闪存比较适合频繁随机读写的场合,通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行,手机就是使用NOR型闪存的大户,所以手机的“内存”容量通常不大;NAND型闪存主要用来存储资料,我们常用的闪存产品,如闪存盘、数码存储卡都是用NAND型闪存。

我们通常所说的SSD(固态硬盘)是采用FLASH芯片作为存储介质,它的外观可以被制作成多种模样,例如笔记本硬盘、微硬盘、存储卡、U盘等。

三、存储器的最新产品趋势。

原来的易失性存储器和非易失性存储器都会有一定的局限和不足,新型存储器在创新方面主要有两个方向:空间结构由2D变为3D和采用新的存储器件结构或材料,下面针对几个重要的技术方向做一下说明。

1)3D NAND

多年以来,2DNAND 一直都是半导体工业光刻技术的发展推动力,其印刷尺寸最小,而且保持逐年下降。随着 2D NAND 的尺寸缩小到了十几纳米节点(16nm、15nm甚至14nm),每个单元也变得非常小,使得每个单元中仅有少数几个电子,而串扰问题又使得进一步缩小变得非常困难而且不够经济。比如固态硬盘的数据传输速度虽然很快,但售价和容量还是个问题,这种宽度为2.5英寸的硬盘用来容纳存储芯片的空间较为有限,容量越高的芯片可以增加硬盘的总体存储空间,但更高的成本也拉高了硬盘的售价。通过3D技术能够解决2D时随着制程变小而引起的存储单元之间的串扰效应和栅氧化层导致的电子击穿效应,3DNAND可以轻松地在宽松的制程下得到更高的容量,并且性能更好,功耗更低。在3D NAND研发进展方面,三星2013年开始量产,目前三星,东芝,西部数据均已成功研发出64层3D NAND产品,中国的武汉新芯与飞索(Spansion)签订合作协议共同研发48层3D NAND技术。3D NAND专利储备方面,三星占据36%的专利数,位列第一,闪迪紧随其后,占比达25%。

2)PCRAM

目前通用的动态内存(DRAM)有一个致命的缺点,那就是怕断电,一旦断电,在内存中的数据就会瞬间消失,因此科学家们一直希望找到一种更完美的下一代存储器。PCRAM就是这样一种理想的存储器:它通过电流和磁场的开关,让存储材料在晶体和非晶体间切换。由于改变的是材料的物理状态,所以即使断电,这种状态也不会消失,同时还可以实现很快的擦写速度。与SRAM和DRAM相比, PCRAM具有非易失性、存储密度更高、不需要刷新、抗辐射干扰等优点;与 Flash 相比, PCRAM 具有读写速度快、使用寿命长、可以执行位操作等优点。目前PCRAM能实现小规模量产的有三星、美光等海外大公司,中国的中科院上海微系统所与信息技术研究所(与中芯国际合作)、华中科技大学、北京时代全芯科技等机构也在积极开展研究。在PCRAM专利方面,索尼、三星、IBM、美光四大公司专利储备数位居前列。

3)3DXPoint

2015年7月,英特尔和美光在英特尔技术峰会上联手发布了3DXPoint 的新一代存储器技术,3D XPoint最核心的就是利用了两种相变材料的特性,在此基础上进行3D堆叠。该技术经历了十年研发,被英特尔称为自1989年NAND 被发明后存储领域的第一次质的突破。简而言之,它是一种非易失性固态存储新形式,性能和耐久性比NAND闪存高得多,而价格方面处于DRAM和NAND之间(目前DRAM的成本在每GB容量5美元左右,NAND约为每GB容量25美分,据Gartner介绍,3DXPoint预计在大批量购买基础上,每GB容量成本约2.40美元)。

据称,3DXPoint第一次在实际产品上实现了低成本,高速度,非易失三大性能的结合:3D XPoint的随机写入速率是NAND 的1000 倍(也有专家提出该性能比只是理论上的,3DXPoint的实际测试结果是比NAND的速度快10倍),密度是DRAM 的10 倍;3D XPoint拥有更为宽松的蚀刻尺寸要求和层数添加空间,大大降低了制备成本;3DXPoint具备极高的访问速度,能够很好地降低处理器和数据之间的延迟,具备很大的应用前景。

Gartner预测,3DXPoint技术将在2018年末开始在数据中心的采用率将会显著提高。但是这种技术转型需要时间,因为数据中心生态系统必须为了适用新内存而进行调整,包括新的处理器芯片组和第三方应用程序。3DXPoint目前只有两家提供商——英特尔和美光。(编辑:刘瑞)


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