存儲(chǔ)器，作為半導(dǎo)體元器件中重要的組成部分，在半導(dǎo)體產(chǎn)品中，比重所占高達(dá)20%。作為一個(gè)重要的半導(dǎo)體產(chǎn)品類型。存儲(chǔ)器2015年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)銷售額為3352億美元，其中存儲(chǔ)器的銷售額為772億美元，存儲(chǔ)器在半導(dǎo)體產(chǎn)品中的占比為23%。中國(guó)作為全球電子產(chǎn)品的制造基地，一直以來(lái)都是存儲(chǔ)器產(chǎn)品最大的需求市場(chǎng)，根據(jù)賽迪顧問(wèn)的研究，2015年中國(guó)大陸地區(qū)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器市場(chǎng)規(guī)模為2843億元（約400億美元）。

　　圖1，全球半導(dǎo)體產(chǎn)品的銷售額和存儲(chǔ)器銷售額

　　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器市場(chǎng)被三星、海力士、美光等寡頭壟斷

　　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一個(gè)高度壟斷的市場(chǎng)，其三大主流產(chǎn)品DRAM，NAND Flash，NOR Flash更是如此，尤其是前兩者，全球市場(chǎng)基本被前三大公司占據(jù)，且近年來(lái)壟斷程度逐步加劇。以DRAM和NAND兩種主要存儲(chǔ)芯片為例，2016年第一季度，DRAM市場(chǎng)93%份額由韓國(guó)三星、海力士和美國(guó)美光科技三家占據(jù)，而NAND Flash市場(chǎng)幾乎全部被三星、海力士、東芝、閃迪、美光和英特爾等六家瓜分。

　　（1） DRAM：全球市場(chǎng)規(guī)模約410億美元。目前DRAM行業(yè)基本被三星，海力士，美光三家壟斷了95%以上的市場(chǎng)。2014年，三星、海力士在先進(jìn)制程上表現(xiàn)出眾，三星（Samsung）已大規(guī)模采用 20nm 工藝，毛利達(dá)42%，SK 海力士則以25nm 工藝為主，毛利率達(dá) 40%，兩者獲利能力皆進(jìn)一步提升，而美光的工藝則仍以30nm 制程為主，毛利率約為24%，遠(yuǎn)低于前兩家，故DRAM市場(chǎng)的壟斷格局有加劇之勢(shì)，尤其是三星，由于率先進(jìn)入20nm量產(chǎn)時(shí)代，成功銷售不少高附加價(jià)值產(chǎn)品，2015年DRAM市場(chǎng)雖略有萎縮，但三星的營(yíng)業(yè)收入反而逆勢(shì)生長(zhǎng)，突破200億美元大關(guān)，并連續(xù)24年蟬聯(lián)DRAM半導(dǎo)體全球市占率第一。

　　在移動(dòng)DRAM市場(chǎng)上，三星與海力士的市占率超過(guò)80%，呈現(xiàn)壓倒性優(yōu)勢(shì)。

　　圖2，2015 Q1 移動(dòng)DRAM主流供應(yīng)商市占率

　　（2）NAND Flash： 全球市場(chǎng)規(guī)模約300億美元。NAND的壟斷形勢(shì)比DRAM更加嚴(yán)重，三星依然是行業(yè)龍頭，連續(xù)多年市占率維持在35%左右，東芝則和閃迪聯(lián)手，共同奪得了NAND領(lǐng)域第二的位子，市占率一般保持在30%左右；美光則擁有英特爾的幫助，排行第三；海力士在2011年市占率超過(guò)了美光，之后則將重心放在了DRAM方面，2012-14年連續(xù)三年排第四。上述四家公司壟斷了整個(gè)NAND市場(chǎng)，且壟斷程度呈上升趨勢(shì)，2011年到2014年期間，四大寡頭的NAND市占率由91.3%上升到了99.2%。

　　圖3，2014 NAND 主流供應(yīng)商市場(chǎng)份額和市占率

　　（3）NOR Flash： 全球市場(chǎng)規(guī)模約30億美元。相對(duì)DRAM和NAND來(lái)說(shuō)，NOR市場(chǎng)要小的多，分散程度也更大，目前市場(chǎng)主要由美光、飛索半導(dǎo)體（被Cypress收購(gòu)）、旺宏、三星、華邦、兆易創(chuàng)新、宜揚(yáng)科技七家主導(dǎo)，前五家屬于IDM模式，后兩家屬于Fabless模式，其中兆易創(chuàng)新是我國(guó)唯一一家在主流存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)行業(yè)掌握一定話語(yǔ)權(quán)的企業(yè)，其在NOR Flash領(lǐng)域進(jìn)步飛速，2012年還僅占市占率的3.4%，到2013年已躍居11%，位列全球第四。

　　圖4，2013 Nor Flash主流供應(yīng)商市占率

　　主流半導(dǎo)體存儲(chǔ)器性能對(duì)比及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分析

　　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器種類繁多，不同產(chǎn)品技術(shù)原理不同，均各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用領(lǐng)域。例如SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）能利用觸發(fā)器的兩個(gè)穩(wěn)態(tài)來(lái)表示信息0和1，即不需要刷新電路就能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，故SRAM讀寫速度非常快，但是它非常昂貴，且功耗大，只用在CPU的一、二級(jí)緩存（Cache）等對(duì)存儲(chǔ)速度要求很嚴(yán)格的地方。廣泛運(yùn)用的產(chǎn)品必定要能兼顧性能和成本，從市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，當(dāng)下最主流的存儲(chǔ)器是DRAM，NAND Flash，NOR Flash，這三者占據(jù)了所有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器規(guī)模的95%左右，尤其是前兩者，占總規(guī)模約9成。

　　圖5，存儲(chǔ)器的分類

　　表一，傳統(tǒng)存儲(chǔ)器性能對(duì)比

　　1） DRAM

　　DRAM：動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Dynamic RAM），“動(dòng)態(tài)”兩字指的是每隔一段時(shí)間，要刷新充電一次，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)即會(huì)消失。這是因?yàn)镈RAM的基本單元是一個(gè)晶體管加一個(gè)電容，并用電容有無(wú)電荷來(lái)表示數(shù)字信息0和1，電容漏電很快，為防止電容漏電而導(dǎo)致讀取信息出錯(cuò)，需要周期性地給DRAM的電容充電，故DRAM速度比SRAM慢。

　　另一方面，這種簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)模式也使得DRAM的集成度遠(yuǎn)高于SRAM，一個(gè)DRAM存儲(chǔ)單元僅需一個(gè)晶體管和一個(gè)小電容，而每個(gè)SRAM單元需要四到六個(gè)晶體管和其他零件，故DRAM在高密度（大容量）以及價(jià)格方面均比SRAM有優(yōu)勢(shì)。SRAM多用于對(duì)性能要求極高的地方（如CPU的一級(jí)二級(jí)緩沖），而DRAM則主要用于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存條等領(lǐng)域。

　　圖6，DRAM的器件單元圖示及其不同容量的剖面結(jié)構(gòu)圖

　　DRAM未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：

　　受PC端拖累，整體規(guī)模下降：從整體來(lái)看，近年來(lái)移動(dòng)市場(chǎng)表現(xiàn)強(qiáng)勁，PC端銷售量受到侵蝕，再加上同時(shí)受累于全球GDP疲軟等因素，包括IC Insights，WSTS等機(jī)構(gòu)均預(yù)測(cè)16年DRAM市場(chǎng)規(guī)模會(huì)出現(xiàn)較大幅度的減弱。

　　圖7 ，DARM的全球市場(chǎng)規(guī)模

　　移動(dòng)終端內(nèi)存條增長(zhǎng)迅速：除了計(jì)算機(jī)內(nèi)存條之外，移動(dòng)終端的內(nèi)存條也是DRAM的一大運(yùn)用領(lǐng)域，得益于近幾年來(lái)電子產(chǎn)品“移動(dòng)化”的消費(fèi)趨勢(shì)，移動(dòng)終端DRAM市場(chǎng)增長(zhǎng)很快，2009年移動(dòng)DRAM出貨量還僅占整體DRAM的5.1%，到了14年這一比例已經(jīng)激增為36%，并且仍然呈上升趨勢(shì)，預(yù)計(jì)15年會(huì)突破50%。而在中國(guó)，由于人口眾多，智能手機(jī)普及率逐年升高，移動(dòng)端DRAM占比更是在2014年就已達(dá)到55%。

　　平面微縮趨近極限，3D 封裝開(kāi)辟新路： DRAM每一次制程的更新?lián)Q代，都需要大量的投入，以制程從30 nm更新到20 nm為例，后者需要的光刻掩模版數(shù)目增加了30%，非光刻工藝步驟數(shù)翻倍，對(duì)潔凈室廠房面積的要求也隨著設(shè)備數(shù)的上升而增加了80%以上，此前這些成本都可以通過(guò)單晶圓更多的芯片產(chǎn)出和性能帶來(lái)的溢價(jià)所彌補(bǔ)，但隨著制程的不斷微縮，增加的成本和收入之間的差距逐漸縮小。故各大廠商開(kāi)始研究Z方向的擴(kuò)展能力，三星率先從封裝角度實(shí)現(xiàn)3D DRAM，采用TSV封裝技術(shù)，將多個(gè)DRAM芯片堆疊起來(lái)，從而大幅提升單根內(nèi)存條容量和性能。

　　圖8，DRAM的發(fā)展路線圖

　　2）NAND Flash

　　為更好地講述NAND Flash和NOR Flash這兩大存儲(chǔ)產(chǎn)品，我們首先來(lái)認(rèn)識(shí)一下Flash技術(shù)。

　　Flash存儲(chǔ)器：又稱閃存，它是一種非易失性存儲(chǔ)器。閃存的存儲(chǔ)單元是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種受電壓控制的三端器件，由源極（Source）、漏極（Drain）和柵極（Gate），以及襯底組成，在柵極與硅襯底間有二氧化硅絕緣層，用來(lái)保護(hù)浮置柵極中的電荷不會(huì)泄漏。

　　NAND的擦和寫均是基于隧道效應(yīng)，電流穿過(guò)浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對(duì)浮置柵極進(jìn)行充電（寫數(shù)據(jù)）或放電（擦除數(shù)據(jù)）。而NOR擦除數(shù)據(jù)仍是基于隧道效應(yīng)（電流從浮置柵極到硅基層），但在寫入數(shù)據(jù)時(shí)則是采用熱電子注入方式（電流從浮置柵極到源極）。

　　圖9，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)單元示意圖

　　NAND Flash:NAND是目前閃存中最主要的產(chǎn)品，具備非易失，高密度，低成本的優(yōu)勢(shì)。在NAND閃存中，數(shù)據(jù)是以位（bit）的方式保存在Memory Cell中，一個(gè)Cell存儲(chǔ)一個(gè)bit，這些Cell或8個(gè)或16個(gè)為單位，連成bit line，而這些line組合起來(lái)會(huì)構(gòu)成Page，而NAND閃存就是以頁(yè)為單位讀寫數(shù)據(jù)，以塊為單位擦除數(shù)據(jù)，故其寫入和擦除速度雖比DRAM大約慢3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，卻也比傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤快3個(gè)數(shù)量級(jí)，被廣泛用于 eMMC/EMCP，U盤，SSD等市場(chǎng)。

　　圖10，NAND Flash的全球市場(chǎng)規(guī)模

　　NAND未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：

　　eMMC/eMCP持續(xù)火熱，嵌入式存儲(chǔ)市場(chǎng)廣泛：

　　eMMC即嵌入式存儲(chǔ)解決方案，它把MMC（多媒體卡）接口、NAND及主控制器都封裝在一個(gè)小型的BGA芯片中，系統(tǒng)廠商只需要選擇所需容量的eMMC芯片，而不用理會(huì)NAND品牌差異兼容性等問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化新產(chǎn)品推出過(guò)程。而eMCP則將eMMC與LPDDR封裝為一體，可進(jìn)一步減小模塊體積，簡(jiǎn)化電路連接設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于高端智能手機(jī)中。2014年，eMMC/eMCP受移動(dòng)終端增長(zhǎng)拉動(dòng)，需求旺盛，在NAND比重達(dá)到25%，年復(fù)合增長(zhǎng)率接近60%。eMMC 5.0已經(jīng)是國(guó)內(nèi)終端手機(jī)標(biāo)配。此外，大容量eMCP模塊的占比也會(huì)增加，美光預(yù)計(jì)到2018年，32GB（eMMC）+24GB（LPDDR）的eMCP模塊占比將超過(guò)40%。

　　SSD前景可期：

　　除嵌入式產(chǎn)品之外，SSD也是NAND的主戰(zhàn)場(chǎng)之一，大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高速傳輸需求讓500GB以上的SSD在服務(wù)器市場(chǎng)需求快速增加。而在PC端，HDD也逐漸無(wú)法抵擋SSD的攻勢(shì)，從2010到2015年，主流HDD的性能，容量，成本幾乎沒(méi)有太大變化，而SSD卻是緊跟摩爾定律，在讀寫速度，容量等方面都進(jìn)步極大，性價(jià)比飆升

　　圖11，2016 NAND細(xì)分市場(chǎng)占比

　　技術(shù)上由2D向3D 轉(zhuǎn)變：

　　目前，16nm、28nm仍然是NAND Flash的主流制程，不過(guò)隨著2D NAND Flash制程微縮逐漸逼近物理極限， 平面微縮工藝的難度越來(lái)越大，尤其是進(jìn)入16nm后，繼續(xù)采用平面微縮工藝的難度和成本已經(jīng)超過(guò)3D TSV技術(shù)，幾大存儲(chǔ)器龍頭公司在13-14年均已成功量產(chǎn)16nm NAND，但出于經(jīng)濟(jì)意義和未來(lái)發(fā)展前景的考慮，這些公司都沒(méi)有進(jìn)一步推出更小的平面制程，而是紛紛開(kāi)始轉(zhuǎn)攻3D NAND。

　　圖12，NAND 2D轉(zhuǎn)3D發(fā)展路線圖

　　3）NOR Flash

　　NOR Flash:NOR Flash 的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP，Execute In Place），即應(yīng)用程序不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中，而是可以直接在Flash閃存內(nèi)運(yùn)行。NOR 的傳輸效率很高，讀取速度也比NAND快很多，在1~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，然而其擦除是以64-128KB的塊為單位進(jìn)行的，執(zhí)行一個(gè)寫入/擦除操作的時(shí)間為5s，而NAND器件的擦除則是以8-32KB的塊為單位進(jìn)行，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms，故其很低的寫入和擦除速度大大影響到它的性能。此外，NOR的單元尺寸幾乎是NAND flash的兩倍，故在成本上也不具備優(yōu)勢(shì)，這使得NOR的使用范圍受到了更大的限制，不少曾屬于NOR的市場(chǎng)也慢慢被其他存儲(chǔ)器所奪取，但NOR flash廠商也并沒(méi)有坐以待斃，而是積極開(kāi)拓汽車電子等物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。近年來(lái)NOR flash市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)萎縮。

　　圖12， NOR FLASH的全球市場(chǎng)規(guī)模（單位：億美元）

　　NOR Flash 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：

　　車用電子發(fā)展勢(shì)頭好：

　　過(guò)去NOR Flash芯片主要應(yīng)用多數(shù)以手機(jī)為主，用來(lái)儲(chǔ)存代碼程序，但自從智能型手機(jī)開(kāi)始導(dǎo)入eMMC解決方案后，手機(jī)中采用NOR Flash比重大幅降低，被NAND奪取了智能手機(jī)這一大市場(chǎng)的NOR只能另尋戰(zhàn)場(chǎng)，目前發(fā)展的最好的當(dāng)屬車用電子市場(chǎng)，且在車體本身和外圍娛樂(lè)導(dǎo)航等車載設(shè)備系統(tǒng)都能看到到NOR Flash的身影，Honda、Toyota采用美光的NOR Flash芯片，Nissan則聯(lián)手東芝，其采用的內(nèi)嵌式NOR Flash芯片容量大多是230Mb以上。

　　工控，網(wǎng)通領(lǐng)域增長(zhǎng)快：

　　除車用電子之外，NOR Flash芯片也大量導(dǎo)入工控領(lǐng)域、網(wǎng)通設(shè)備等領(lǐng)域，且同樣多采用高容量NOR Flash芯片，未來(lái)成長(zhǎng)空間仍相當(dāng)可觀。

　　并行衰弱，串行增長(zhǎng)：

　　并行NOR閃存由于管腳多，集成度低等缺點(diǎn)，已經(jīng)逐漸被管腳少，集成度高的串行NOR閃存所取代，近年來(lái)全球NOR Flash市場(chǎng)規(guī)模總體變化不大，但內(nèi)部來(lái)看則呈現(xiàn)串行NOR Flash增長(zhǎng)，并行NOR Flash衰退的趨勢(shì)。

　　傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的挑戰(zhàn)VS.新型存儲(chǔ)器的機(jī)遇

　　目前存儲(chǔ)器行業(yè)的主要矛盾是日益增長(zhǎng)的終端產(chǎn)品性能需求和尚未出現(xiàn)重大突破的技術(shù)之間的矛盾。具體一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，是內(nèi)存和外存之間巨大的性能差異造成了電子產(chǎn)品性能提升的主要瓶頸。這幾年SSD成為電腦性能發(fā)燒友的最愛(ài)，就是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的機(jī)械硬盤的傳輸速度往往在200MB/s以內(nèi)，尋道時(shí)間約為10ms級(jí)；而采用NAND閃存的SSD傳輸速度為數(shù)百M(fèi)B/s到幾GB/s，尋道時(shí)間約為0.1ms以內(nèi)，極大的速度提升讓人感覺(jué)像是換了一個(gè)電腦。然而即便是頂級(jí)的SSD，其延遲也是百微秒級(jí)別，離DRAM的十幾納秒相差近萬(wàn)倍，傳輸速度也慢了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這就使得DRAM的性能不能全部發(fā)揮出來(lái)。

　　圖13，存儲(chǔ)器的性能瓶頸

　　一、三大存儲(chǔ)技術(shù)各有不足

　　除了內(nèi)存和外存之間的性能差異之外，三大主流半導(dǎo)體存儲(chǔ)器本身也存在各種不足：

　　DRAM：數(shù)據(jù)易失，容量小。盡管DRAM各項(xiàng)性能都很優(yōu)秀——納秒級(jí)別的延遲，數(shù)十GB/S的帶寬，接近于“長(zhǎng)生不老”的壽命；然而它是易失性存儲(chǔ)器，即斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，而且，其成本比閃存高，容量也較小。此外，盡管平面微縮離物理極限還有一定的距離，但是在18/16nm之后，繼續(xù)在二維方向縮減尺寸已不再具備成本和性能方面的優(yōu)勢(shì)。

　　NAND：延遲長(zhǎng)，壽命短，平面微縮已到極限。NANDflash具有低成本（相對(duì)DRAM），低功耗，非易失，體積小等優(yōu)點(diǎn)，但由于其每次寫入數(shù)據(jù)時(shí)需要施加高壓，讓電子突破晶體管的氧化膜進(jìn)入浮動(dòng)?xùn)艠O，這一過(guò)程會(huì)對(duì)氧化膜造成不可逆的損害，性能最好的SLC NAND，讀寫次數(shù)也只有10萬(wàn)次左右，而差一些的MLC，TLC的讀寫壽命均以千次為量級(jí)。制程微縮方面的情況和DRAM類似，進(jìn)入16nm后，2D NAND的成本在急劇上升，繼續(xù)采用平面微縮工藝的難度和成本已經(jīng)超過(guò)3D TSV技術(shù)，同時(shí)微縮之后絕緣層也需要相應(yīng)減薄，在薄到一定程度之后，電子在電壓不滿足的情況下也可能會(huì)發(fā)生隧穿效應(yīng)，從而影響芯片的可靠性。

　　NOR： 容量小，寫入擦除速度慢。NOR Flash的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用程序可以直接在Flash閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中，故其傳輸效率很高，讀取速度快，在1~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，主要被用來(lái)存儲(chǔ)程序。然而NOR的器件結(jié)構(gòu)要求其在進(jìn)行擦除前先要將所有的位都寫入0，這就使得其擦除速度很低，同時(shí)由于閃存在寫入數(shù)據(jù)之前，均要求進(jìn)行擦除，故這也會(huì)影響到NOR的寫入速度。

　　綜述所述，現(xiàn)有存儲(chǔ)器的問(wèn)題主要有內(nèi)外存性能不匹配、內(nèi)存不具備非易失性、外存微縮難度大等等，因此不少企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都迫切想要研發(fā)出新型的存儲(chǔ)器，希望其能同時(shí)具有 DRAM 的高速度高壽命和FLASH 的低成本非易失的優(yōu)點(diǎn)。

　　二、新型存儲(chǔ)器的分類及其優(yōu)勢(shì)

　　傳統(tǒng)的主流存儲(chǔ)器面臨挑戰(zhàn)，新型存儲(chǔ)器技術(shù)值得關(guān)注。存儲(chǔ)器的革新主要有兩種手段，一是結(jié)構(gòu)上由2D變?yōu)?D，二是采用新的存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)或材料，本節(jié)我們將從器件結(jié)構(gòu)，功能特性，研發(fā)進(jìn)展等角度對(duì)目前最主要的新型存儲(chǔ)器進(jìn)行對(duì)比分析。3D XPoint技術(shù)是最具革命性的熱點(diǎn)技術(shù)，故將放在下一節(jié)單獨(dú)重點(diǎn)分析。

　　1）3D NAND

　　目前，NAND 閃存的主流制程為28nm/16nm，在制程進(jìn)入1x nm 世代后，越來(lái)越緊鄰的存儲(chǔ)單元之間的串?dāng)_效應(yīng)，越來(lái)越薄的柵氧化層導(dǎo)致的電子擊穿效應(yīng)，都使得NAND的可靠性和性能受到影響。此外，在進(jìn)入2x nm后，由于平面微縮工藝的難度越來(lái)越大，故微縮帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)開(kāi)始減弱，尤其是在16nm制程后，繼續(xù)采用2D 微縮工藝的難度和成本已經(jīng)超過(guò)硅通孔，薄膜刻蝕等3D技術(shù)。

　　圖14， 2D NAND 與 3D NAND的對(duì)比

　　也就是說(shuō)，不論是從性能角度考慮，還是從經(jīng)濟(jì)角度考慮，繼續(xù)平面微縮都不是一個(gè)好辦法，因此三星，海力士，東芝，美光等NAND龍頭企業(yè)都在積極研發(fā)3D NAND技術(shù)。IC Insight預(yù)計(jì)，得益于SSD和智能手機(jī)的推動(dòng)，2015年開(kāi)始3D NAND的出貨量將以200%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率遞增（2D則以每年17.1%的速度下降），預(yù)計(jì)2020年達(dá)到NAND總量的70%的水平。

　　3D NAND 優(yōu)點(diǎn)：

　　1） 輕松在寬松的制程下得到大容量：從2D NAND到3D NAND就像平房到高樓大廈，因此單位面積的容量更高，目前32層的3D NAND容量為128Gb，與主流2D 1y/1znm NAND的容量持平，而48層的3D NAND存儲(chǔ)器容量能夠達(dá)到256Gb，即層數(shù)達(dá)到48層后，3D的威力將初步顯現(xiàn)，三星預(yù)計(jì)100層的3D NAND容量將達(dá)1TB。

　　2） 性能更高，功耗更低：得益于立體堆疊的模式，3D NAND能在較大的存儲(chǔ)單元尺寸下保持很高的存儲(chǔ)密度，大的存儲(chǔ)單元接受電荷信號(hào)更飽滿，柵氧的厚度也更大，不易被擊穿，此外，更大容量NAND讀寫不需要那么多次的重試，因此總功耗也會(huì)更低。

　　主流技術(shù)對(duì)比：

　　由于2D NAND的架構(gòu)關(guān)鍵在于光刻，而3D的關(guān)鍵則在于高深寬比通孔刻蝕，薄膜加工等技術(shù)，工藝差別較大，故各家的進(jìn)展并非一帆風(fēng)順。目前3D NAND的研發(fā)總體可以分為三大陣營(yíng)，分別是三星，海力士，東芝，三家都有其相似的技術(shù)和專用技術(shù)。相同之處在于三者都使用了環(huán)柵技術(shù)（GAA： gate-all-around），使得柵極對(duì)導(dǎo)電溝道的控制能力更強(qiáng)，關(guān)斷電流也更小。不同之處主要有三點(diǎn)：

　　三星和海力士在其3D NAND產(chǎn)品中引入了電荷擷取層（CTL：Charge Trap Layer），即將電荷存儲(chǔ)在高K（介電常數(shù)）材料絕緣層（SiN），而傳統(tǒng)的2D NAND則是將電荷儲(chǔ)存在導(dǎo)電的多晶硅浮柵上，氮化硅因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)特殊，電荷往往會(huì)自動(dòng)積聚到它的晶格周圍，因此理論上這些電荷不會(huì)消耗，從而其壽命可以得到提升。而Intel/美光方面則是仍然采用傳統(tǒng)的浮柵極，理由是這項(xiàng)技術(shù)在2D NAND中已經(jīng)久經(jīng)考驗(yàn)，比較成熟。

　　東芝/閃迪，西部數(shù)據(jù)在3D NAND方面是合作關(guān)系（西部數(shù)據(jù)2016年收購(gòu)了閃迪），均使用一項(xiàng)名叫BiCS（Bit Cost Scaling：位成本可擴(kuò)展技術(shù)）的技術(shù)，其3D堆棧上所有存儲(chǔ)器單元可以采用相同的晶圓沉積步驟同時(shí)生產(chǎn)出來(lái)，而且堆疊的存儲(chǔ)器單元每個(gè)位行只需要一個(gè)位線，故可以隨NAND規(guī)模的擴(kuò)大而降低成本，號(hào)稱在所有3D NAND閃存中核心面積最低，成本最低。2015年，東芝/閃迪推出了48層第二代3D NAND Flash（即BiCS2），該產(chǎn)品在一個(gè)2bit/cell （16GB）的芯片中堆疊了48個(gè)字線層，容量為16GB，其采用的“U”型NAND串結(jié)構(gòu)可以提高陣列密度。

　　東芝和海力士使用自對(duì)準(zhǔn)多晶硅柵，而三星則是通過(guò)大馬士革工藝淀積金屬柵。

　　2）3D DRAM

　　與NAND Flash技術(shù)類似，DRAM的平面微縮也正在一步步接近極限并向垂直方向擴(kuò)展：18/16nm之后，由于薄膜厚度無(wú)法繼續(xù)縮減，以及不適合采用高介電常數(shù)（High-K）材料和電極等原因，繼續(xù)在二維方向縮減尺寸已不再具備成本和性能方面的優(yōu)勢(shì)。與DRAM的3D技術(shù)路線不同的是，DRAM的3D技術(shù)體現(xiàn)在芯片層面，而非晶體管層面，即其3D指的是3D封裝——采用TSV將多片芯片堆疊在一起，隨著電子產(chǎn)品對(duì)DRAM容量要求和性能的提升，未來(lái)3D DRAM比重將呈上升趨勢(shì)。

　　3D DRAM優(yōu)點(diǎn)：

　　a）寬松尺寸下實(shí)現(xiàn)高密度容量：和3DNAND類似，Z方向的擴(kuò)展能力使得其對(duì)平面微縮的要求降低，從而可以在較大制程下大幅提升單根內(nèi)存條容量。

　　b）寄生阻容減少，延時(shí)串?dāng)_降低：改用3D封裝之后，很多芯片之間的連接由水平面上交雜的銅線變成了垂直方向的通孔，互連線長(zhǎng)度大大降低，從而極大的改善了后道線間延時(shí)和串?dāng)_，對(duì)芯片性能的提升有很大的幫助。

　　3） PCRAM（相變存儲(chǔ)器）

　　PCM（Phase Change RAM）：相變隨機(jī)存儲(chǔ)器，此類存儲(chǔ)器利用材料晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)化后導(dǎo)電性的差異來(lái)存儲(chǔ)信息，過(guò)程主要可以分為SET和RESET兩步。當(dāng)材料處于非晶態(tài)時(shí)，升高溫度至高于再結(jié)晶溫度但低于熔點(diǎn)溫度，然后緩慢冷卻（這一過(guò)程是制約PCM速度的關(guān)鍵因素），材料會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)（這一步驟被稱為SET），此時(shí)材料具有長(zhǎng)距離的原子能級(jí)和較高的自由電子密度，故電阻率較低。當(dāng)材料處于晶態(tài)時(shí)，升高溫度至略高于熔點(diǎn)溫度，然后進(jìn)行淬火迅速冷卻，材料就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)（這一步驟被稱為RESET），此時(shí)材料具有短距離的原子能級(jí)和較低的自由電子密度，故電阻率很高。相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)的時(shí)候電阻率差距相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使得其具有較高的噪聲容限，足以區(qū)分“ 0”態(tài)和“ 1”態(tài)。目前各機(jī)構(gòu)用的比較多的相變材料是硫?qū)倩铮ㄓ⑻貭枮榇恚┖秃N、銻、碲的合成材料（GST），如Ge2Sb2Te5（意法半導(dǎo)體為代表）。

　　圖15.PCM的結(jié)構(gòu)圖

　　PCM優(yōu)點(diǎn)：

　　a）低延時(shí)，讀寫時(shí)間均衡：與NANDflash相比，PCM在寫入更新代碼之前不需要擦除以前的代碼或數(shù)據(jù)，故其速度比NAND有優(yōu)勢(shì)，讀寫時(shí)間較為均衡。

　　b）壽命長(zhǎng)：PCM讀寫是非破壞性的，故其耐寫能力遠(yuǎn)超過(guò)閃存，用PCM來(lái)取代傳統(tǒng)機(jī)械硬盤的可靠性更高。

　　c）功耗低：PCM 沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，保存代碼或數(shù)據(jù)也不需要刷新電流，故PCM的功耗比HDD，NAND，DRAM都低。

　　d）密度高：部分PCM采用非晶體管設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)。

　　e）抗輻照特性好：PCM存儲(chǔ)技術(shù)與材料帶電粒子狀態(tài)無(wú)關(guān)，故其具有很強(qiáng)的抗空間輻射能力，能滿足國(guó)防和航天的需求。

　　PCM研發(fā)難點(diǎn)：

　　A）器件功耗與工作速度難以兼顧：為了減少器件功耗，應(yīng)盡量降低相變材料的熱導(dǎo)率，以提高熱量的利用率；但同時(shí)過(guò)低的熱導(dǎo)率使得相變單元的絕熱常數(shù)過(guò)高，不利于RESET后的快速冷卻，影響了器件的工作速度。

　　B）高密度情況下的熱串?dāng)_問(wèn)題：在當(dāng)一個(gè)器件單元中的相變材料處在高溫熔化狀態(tài)時(shí)，熱擴(kuò)散可能會(huì)使相鄰的器件單元也發(fā)生相變，從而導(dǎo)致存儲(chǔ)信息的錯(cuò)誤。

　　串?dāng)_電流影響數(shù)據(jù)穩(wěn)定性：目前二極管作為選通管是高密度PCM的一個(gè)主要選擇，但其制備工藝會(huì)導(dǎo)致同一字線上相鄰二極管之間會(huì)形成寄生三極管，而寄生三極管的串?dāng)_電流又會(huì)影響數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

　　C）材料需兼?zhèn)涓呓Y(jié)晶溫度和低熔點(diǎn)：數(shù)據(jù)保存時(shí)間與非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性有關(guān)，即PCM材料需要幾倍較高的結(jié)晶溫度，同時(shí)，為了降低功耗，其熔點(diǎn)不能太高。

　　D）相變前后體積變化影響器件可靠性：材料發(fā)生非晶態(tài)和晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變時(shí)，其體積會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而可能導(dǎo)致相變材料和與其接觸的電極材料發(fā)生剝離，器件失效。

　　4） RRAM（阻變存儲(chǔ)器）

　　RRAM（Resistive RandomAccess Memory）：阻變式存儲(chǔ)器，典型的RRAM由兩個(gè)金屬電極夾一個(gè)薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲(chǔ)介質(zhì)。選用材料的不同會(huì)對(duì)實(shí)際作用機(jī)制帶來(lái)較大差別，但本質(zhì)都是經(jīng)由外部刺激（如電壓）引起存儲(chǔ)介質(zhì)離子運(yùn)動(dòng)和局部結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而造成電阻變化，并利用這種電阻差異來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。目前最被接受的RRAM機(jī)理是導(dǎo)電細(xì)絲理論，基于細(xì)絲導(dǎo)電的器件將不依賴于器件的面積，故其微縮潛力很大。RRAM所選用的材料多為金屬氧化物，此外硫化物及有機(jī)介質(zhì)材料也受到了一定的關(guān)注。

　　圖16，RRAM的器件單元及儲(chǔ)存原理

　　RRAM優(yōu)點(diǎn)：

　　高速度：RRAM擦寫速度由觸發(fā)電阻轉(zhuǎn)變的脈沖寬度決定，一般小于100ns。

　　耐久性：RRAM讀寫和NAND不同，采用的是可逆無(wú)損害模式，從而可以大大提高其使用壽命。

　　具備多位存儲(chǔ)能力：部分RRAM材料還具備多種電阻狀態(tài)，使得當(dāng)個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)成為可能，從而提高存儲(chǔ)密度。

　　RRAM缺點(diǎn)：

　　絲狀電阻擴(kuò)展難：大多數(shù)的RRAM都是絲狀的，需要編程來(lái)統(tǒng)計(jì)每一次絲狀的變化。因此要想擴(kuò)展非常困難，速度也不夠理想，同時(shí)，絲狀結(jié)構(gòu)會(huì)提升電流密度，并對(duì)性能與可靠性造成影響性。

　　相鄰單元串?dāng)_和器件微縮能力難以兼顧：RRAM的存儲(chǔ)器矩陣可以分為無(wú)源矩陣和有源矩陣兩種，無(wú)源矩陣的存儲(chǔ)單元由一個(gè)阻變?cè)约耙粋€(gè)非線性元件（一般使用二極管）相連，后者的作用是使阻變?cè)玫胶线m的分壓，從而避免阻變?cè)幱诘妥钁B(tài)時(shí)，存儲(chǔ)單元讀寫信息丟失。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，工藝微縮性好，但采用無(wú)源矩陣會(huì)使相鄰單元間不可避免地存在干擾。有源單元?jiǎng)t由晶體管來(lái)控制阻變?cè)淖x寫與擦除，雖可良好隔離相鄰單元的干擾，但其設(shè)計(jì)更復(fù)雜，且器件可微縮性較差。

　　5）MRAM（磁存儲(chǔ)器）

　　MRAM（Magnetic RAM）：磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，它靠磁場(chǎng)極化而非電荷來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。MRAM 的存儲(chǔ)單元由自由磁層，隧道柵層，固定磁層組成。自由磁層的磁場(chǎng)極化方向可以改變，固定層的磁場(chǎng)方向不變，當(dāng)自由層與固定層的磁場(chǎng)方向平行時(shí)，存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)低電阻；反之呈高電阻，通過(guò)檢測(cè)存儲(chǔ)單元電阻的高低，即可判斷所存數(shù)據(jù)是 0還是1。

　　圖17 MRAM的存儲(chǔ)單元

　　MRAM優(yōu)點(diǎn)：

　　非易失：鐵磁體的磁性不會(huì)由于斷電而消失，故MRAM具備非易失性。

　　讀寫次數(shù)無(wú)限：鐵磁體的磁性不僅斷電不會(huì)消失，而是幾乎可以認(rèn)為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無(wú)限次重寫。

　　寫入速度快，功耗低：在目前已經(jīng)得到的實(shí)驗(yàn)樣品中，MRAM的寫入時(shí)間可低至2.3ns，并且功耗極低，可實(shí)現(xiàn)瞬間開(kāi)關(guān)機(jī)并能延長(zhǎng)便攜機(jī)的電池使用時(shí)間。

　　和邏輯芯片整合度高：MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過(guò)程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，甚至可以實(shí)現(xiàn)2~3層單元疊放，故具備在邏輯電路上構(gòu)造大規(guī)模內(nèi)存陣列的潛力。

　　MRAM缺點(diǎn)：MRAM最大的缺點(diǎn)是存儲(chǔ)單元之間存在干擾，當(dāng)對(duì)目標(biāo)位進(jìn)行編程時(shí)，非目標(biāo)位中的自由層很容易被誤編程，尤其是在高密度情況下，相鄰單元間的磁場(chǎng)的交疊會(huì)愈加嚴(yán)重。

　　5） FRAM（鐵電存儲(chǔ)器）

　　FRAM（Ferromagnetic RAM）：鐵電存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)與DRAM大致相同，基本單元由一個(gè)MOS管和電容組成，但DRAM電容的電介質(zhì)材料斷電后無(wú)法繼續(xù)存儲(chǔ)電荷，F(xiàn)RAM則使用斷電后電荷不會(huì)丟失的鐵電晶體作為電介質(zhì)，當(dāng)在平面電容中加電壓時(shí)，鐵電晶體在電場(chǎng)作用下會(huì)形成極化電荷，正向電壓下所形成的極化電荷較低，反向電壓下所形成的極化電荷較高，這種二元穩(wěn)定狀態(tài)使其可以作為存儲(chǔ)器。FRAM的結(jié)構(gòu)主要有兩種：Planar結(jié)構(gòu)的工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，其隔離采用LOCOS結(jié)構(gòu)，且不需要使用CMP，而Stacked結(jié)構(gòu)的集成度較高，但工藝更加復(fù)雜，需要用到STI（淺槽隔離）和CMP。

　　圖18，兩種主流FRAM結(jié)構(gòu)

　　FRAM優(yōu)點(diǎn)：兼具DRAM的高速讀寫優(yōu)勢(shì)和Flash的非易失性。

　　FRAM缺點(diǎn)：最大的缺點(diǎn)是微縮能力差，難以采用納米級(jí)工藝，此外，目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種完美的鐵電晶體材料，主流材料PZT（鋯鈦酸鉛）和SBT（鉭酸鍶鉍）都有缺點(diǎn)：PZT能夠使用濺射和 MOCVD等方法在較低的溫度下制備，原材料便宜、晶化溫度較低，工藝集成較容易，但有疲勞退化問(wèn)題，而且鉛會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。SBT雖然環(huán)保且無(wú)疲勞退化問(wèn)題，但其制作工藝溫度較高，工藝集成難度很大。

　　6）揭秘英特爾/美光的3D XPoint技術(shù)

　　在2015年七月的IDF（英特爾技術(shù)峰會(huì)）上，英特爾和美光聯(lián)手發(fā)布了一種名為3D XPoint的新一代存儲(chǔ)器技術(shù)，該技術(shù)歷經(jīng)十載研發(fā)，第一次在實(shí)際產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)了低成本，高速度，非易失三大性能的結(jié)合，被英特爾稱為自1989年NAND被發(fā)明后存儲(chǔ)領(lǐng)域的第一次質(zhì)的突破。

　　圖19，3D XPoint的結(jié)構(gòu)

　　具體來(lái)看，3D XPoint的隨機(jī)寫入速率是NAND 的1000倍，密度是DRAM的10倍，英特爾還將使用3D XPoint技術(shù)的初期實(shí)際產(chǎn)品和其另一款使用NAND閃存的頂級(jí)SSD進(jìn)行性能對(duì)比，結(jié)果表明8線程情況下前者的4K隨機(jī)讀寫速度是后者的5.44倍，而在單線程中差距擴(kuò)大到7.25倍，英特爾表明該技術(shù)的延遲高于閃存，略低于內(nèi)存，可以在靠近處理器的位置以較低成本存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)，顯著降低延遲，以加快分析速度。

　　3D XPoint 除了在性能方面兼具閃存的非易失性和內(nèi)存的高傳輸速度優(yōu)點(diǎn)之外，還擁有更為寬松的蝕刻尺寸要求和層數(shù)添加空間，這使得其制備成本也會(huì)顯著降低。英特爾和美光在存儲(chǔ)器方面連續(xù)多年被三星、海力士，東芝等日韓廠壓制，此次聯(lián)手推出這一顛覆性新型存儲(chǔ)器，無(wú)疑奪取了不少本聚焦在三星和海力士重點(diǎn)推進(jìn)的3D NAND上的目光，在本節(jié)報(bào)告中，我們將針對(duì)3D XPoint展開(kāi)詳細(xì)分析，揭秘其究竟緣何具備如此高的綜合性能，它的運(yùn)用場(chǎng)景在哪里，目前還存在哪些難點(diǎn)以及量產(chǎn)計(jì)劃。

　　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

　　輕松定位存儲(chǔ)單元，隨機(jī)寫入速率飆升：NAND Flash無(wú)法定位到具體每一個(gè)存儲(chǔ)單元，只能定位到一個(gè)page（每個(gè)page大約是4KiB或者8KiB）的內(nèi)容，寫入需要整個(gè)page寫入，擦除更是需要一次性擦除整個(gè)block（每個(gè)block為128或256KiB），這導(dǎo)致NAND需要使用復(fù)雜的垃圾回收算法，極大的影響了其隨機(jī)訪問(wèn)性能。而在3D XPoint中，1280 億個(gè)密集排列的存儲(chǔ)單元被交叉的字線和位線連接，從而使得每一個(gè)記憶體都能通過(guò)兩條導(dǎo)線進(jìn)行定位，以支持對(duì)單個(gè)存儲(chǔ)單元的獨(dú)立訪問(wèn)，每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)，故其和DRAM類似，具有很好的隨機(jī)性能。

　　紫光聯(lián)手武漢新芯，加快國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)器發(fā)展

　　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片行業(yè)是一個(gè)高技術(shù)壁壘，高資金壁壘，高度壟斷的“三高”行業(yè)，粗看上去，是一個(gè)難以啃下的硬骨頭，國(guó)家這兩年砸下重金發(fā)展存儲(chǔ)器，能否實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)值得探討。本章我們將從戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)意義兩個(gè)角度來(lái)分析大陸發(fā)展存儲(chǔ)器的必要性，并論述我國(guó)為什么要選擇此時(shí)大力發(fā)展存儲(chǔ)器行業(yè)。

　　1） 戰(zhàn)略意義：中興事件再次敲響警鐘，芯片國(guó)產(chǎn)化關(guān)乎國(guó)家信息安全

　　繼2013年斯諾登事件之后，今年3月發(fā)生的中興通訊事件再次讓我們認(rèn)識(shí)到芯片國(guó)產(chǎn)化的緊迫性。因涉嫌違反美國(guó)對(duì)伊朗的出口管制政策，中興通訊在今年3月遭到美國(guó)商務(wù)部處罰。美商務(wù)部下令：限制中興通訊在美國(guó)的供應(yīng)商向中興出口產(chǎn)品，該出口限令可能會(huì)切斷中興通訊目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵器件供應(yīng)。盡管出于緩和中美雙方政治關(guān)系，保護(hù)美芯片供應(yīng)商利益等原因，經(jīng)過(guò)半個(gè)月的多方博弈后，美國(guó)政府在該政策實(shí)施半個(gè)月后的3月21日宣布解除禁令，但此次事件相當(dāng)于給我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的現(xiàn)狀再次敲響了警鐘。

　　存儲(chǔ)芯片作為半導(dǎo)體行業(yè)的重點(diǎn)產(chǎn)品，是海量數(shù)據(jù)的載體，在電子化，數(shù)據(jù)化程度越來(lái)越高的今天，數(shù)據(jù)就是每一個(gè)公民乃至國(guó)家的“電子身份證”，關(guān)乎信息安全和軍事安全，戰(zhàn)略地位非常重要，只要一天不能自主掌握關(guān)鍵技術(shù)，命脈就仍然掌握于他人之手！一旦兩國(guó)關(guān)系僵化甚至開(kāi)戰(zhàn)，美國(guó)政府實(shí)施徹底禁運(yùn)，將會(huì)給我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和信息安全帶來(lái)極大的打擊，因此加快我國(guó)存儲(chǔ)芯片和整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的國(guó)產(chǎn)替代速度，以期早日擺脫發(fā)達(dá)國(guó)家的嚴(yán)重依賴！

　　2）經(jīng)濟(jì)意義：大陸存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)約400億美元，新興市場(chǎng)空間更大

　　存量市場(chǎng)約400億美元：中國(guó)大陸作為最大的集成電路消費(fèi)國(guó)，自身企業(yè)的市場(chǎng)占有率卻很低，極大的消耗量，自給率卻很低，這意味著巨額的進(jìn)口。近年來(lái)，集成電路進(jìn)口額多次超過(guò)原油，堪稱我國(guó)第一大進(jìn)口商品，目前我國(guó)80%的高端芯片依賴于進(jìn)口，而芯片的利潤(rùn)和其技術(shù)含量高度相關(guān)，為此國(guó)家每年都要向韓國(guó)，美國(guó)，日本等國(guó)家付出大量的外匯，存儲(chǔ)器更是半導(dǎo)體行業(yè)四大產(chǎn)品類型中自給率最低的一個(gè)，DRAM，NAND兩大存儲(chǔ)芯片均由國(guó)外前三、四家公司就占據(jù)了90%以上的市場(chǎng)，僅2015 年前三季度，中國(guó)購(gòu)買了120億美元的DRAM和66.7億美元的NAND flash，分別占到全球消費(fèi)的 21.6%和29.1%。

　　圖20，集成電路進(jìn)口與原油對(duì)比

　　新興市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，潛力無(wú)限：受宏觀經(jīng)濟(jì)不景氣，摩爾定律生命力減弱，智能手機(jī)普及紅利消耗殆盡等因素的影響，半導(dǎo)體行業(yè)傳統(tǒng)運(yùn)用市場(chǎng)增速放緩。但物聯(lián)網(wǎng)這顆新星卻正在冉冉升起，2016年6月，NB-IOT無(wú)線通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)被凍結(jié)，該標(biāo)準(zhǔn)為物聯(lián)網(wǎng)量身定制，具有覆蓋廣，連接多，低功耗，低成本等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)推出就得到了眾多設(shè)備商和電信運(yùn)營(yíng)商的支持，其正式凍結(jié)預(yù)示著物聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)入高速發(fā)展階段。根據(jù)分析機(jī)構(gòu)Markets and Markets預(yù)測(cè)，2016-2022年全球物聯(lián)網(wǎng)芯片市場(chǎng)復(fù)合成長(zhǎng)率將高達(dá)11.5%，2022全球物聯(lián)網(wǎng)芯片市場(chǎng)規(guī)模或?qū)⒊?00億美元。在大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)終端和服務(wù)器端，都會(huì)用到存儲(chǔ)芯片，尤其是在服務(wù)器端，會(huì)需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，這將是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的一個(gè)新增長(zhǎng)點(diǎn)。

　　3）時(shí)機(jī)選擇：技術(shù)換代機(jī)會(huì)難得，迎彎道超車機(jī)遇！

　　不論是NAND還是DRAM，目前在成本和性能雙方面都漸漸開(kāi)始顯露疲態(tài)，因此各大存儲(chǔ)器龍頭都在積極發(fā)展新型存儲(chǔ)器，新的存儲(chǔ)器雖然仍存在很多技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。但挑戰(zhàn)總是與機(jī)遇并存的，傳統(tǒng)存儲(chǔ)器市場(chǎng)已經(jīng)呈現(xiàn)高度壟斷形式，且近幾年壟斷程度還在逐漸加劇，而新型存儲(chǔ)器由于在架構(gòu)和材料方面都有很大的不同，各大龍頭存儲(chǔ)器廠商目前的進(jìn)展也并非一帆風(fēng)順，而國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)在國(guó)家政策的大力支持下，已取得了不少成就：3D NAND方面，武漢新芯攜手Spansion，目前已經(jīng)能做到9層；在PCM，RRAM等新型存儲(chǔ)器上，國(guó)內(nèi)也有不少企業(yè)和科研單位再進(jìn)行探索。從專利數(shù)目上看，DRAM和NAND由于行業(yè)高度壟斷，三星，海力士，東芝，美光等幾家公司經(jīng)過(guò)多年積累，已經(jīng)形成了極高的專利壁壘，而新型存儲(chǔ)器龍頭公司并未占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在不少細(xì)分領(lǐng)域都有施展拳腳的機(jī)會(huì)，目前我國(guó)新型存儲(chǔ)器的專利擁有數(shù)已大大超過(guò)DRAM和NAND，和國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)的差距相對(duì)來(lái)說(shuō)也較小。

　　圖21，大陸地區(qū)傳統(tǒng)和新興存儲(chǔ)專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)

　　當(dāng)下正是十年一遇的技術(shù)更新?lián)Q代，顛覆革新之時(shí)，我國(guó)應(yīng)要抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，大力支持相關(guān)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)彎道超車，一旦錯(cuò)過(guò)，讓其它企業(yè)再次形成專利壁壘和規(guī)模壁壘之后，我國(guó)想再進(jìn)入該領(lǐng)域就要付出更大的代價(jià)。

　　未來(lái)布局：三龍頭重點(diǎn)突破

　　為避免資源過(guò)度分散而造成浪費(fèi)或非必要競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)應(yīng)在存儲(chǔ)器領(lǐng)域重點(diǎn)上培育1-2個(gè)龍頭企業(yè)，既重視技術(shù)研發(fā)，也重視資本運(yùn)作。在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，企業(yè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，走以資本為紐帶的虛擬IDM道路，上中下游龍頭公司緊密合作，共同發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)已形成三方重點(diǎn)力量發(fā)展存儲(chǔ)器，力爭(zhēng)在數(shù)年或十?dāng)?shù)年內(nèi)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的國(guó)產(chǎn)替代，并占據(jù)一部分海外市場(chǎng)。

　　1）紫光集團(tuán)收購(gòu)武漢新芯，設(shè)立長(zhǎng)江存儲(chǔ)

　　2015年11月，紫光國(guó)芯（原同方國(guó)芯）發(fā)布A股有史以來(lái)最大定增額度預(yù)案，將在存儲(chǔ)器領(lǐng)域投入932億資金（其中募集資金600億）建設(shè)存儲(chǔ)芯片工廠，主要用于生產(chǎn)閃存芯片。2016年2月，紫光國(guó)芯發(fā)布公告，將以37.9億人民幣的價(jià)格認(rèn)購(gòu)力成科技25%的股份，并以23.4億人民幣認(rèn)購(gòu)南茂科技25%的股份。力成和南茂都是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器領(lǐng)域的主要封測(cè)廠，紫光布局存儲(chǔ)器的意圖非常明確。

　　圖22，武漢新芯的存儲(chǔ)器芯片發(fā)展規(guī)劃

　　2016年3月，大基金與湖北省集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金股份有限公司、國(guó)開(kāi)發(fā)展基金有限公司、湖北省科技投資集團(tuán)有限公司簽署協(xié)議，投資240億美元助推武漢新芯重點(diǎn)開(kāi)發(fā)3D NAND存儲(chǔ)器。

　　2）福建晉華攜手***聯(lián)電，兩岸共謀DRAM大計(jì)

　　2016年5月，福建晉華集成電路有限公司宣布與聯(lián)電合作，此次合作將結(jié)合***的半導(dǎo)體制造能力，及中國(guó)大陸的市場(chǎng)與資金，由聯(lián)電在***進(jìn)行32納米制程技術(shù)研發(fā)，由晉華提供DRAM特用設(shè)備，并依開(kāi)發(fā)進(jìn)度支付技術(shù)報(bào)酬金為開(kāi)發(fā)費(fèi)用，成果將由雙方共同擁有。雙方合作開(kāi)發(fā)的技術(shù)，主要應(yīng)用在利基型DRAM生產(chǎn)。

　　7月16日，福建省晉華存儲(chǔ)器集成電路生產(chǎn)線在泉州市晉江舉行開(kāi)工奠基。該項(xiàng)目一期投資達(dá)370億元，預(yù)計(jì)2018年9月形成月產(chǎn)6萬(wàn)片12英寸內(nèi)存晶圓的生產(chǎn)規(guī)模，預(yù)計(jì)年銷售額12億美元，主要用于生產(chǎn)利基型DRAM，而項(xiàng)目的二期工程將在五年內(nèi)擴(kuò)產(chǎn)至月產(chǎn)12萬(wàn)片的規(guī)模。

　　此次合作選擇先以利基型DRAM作為突破口，原因主要有兩個(gè)，一是因?yàn)槠浼夹g(shù)開(kāi)發(fā)相對(duì)容易，二是因?yàn)榇祟怐RAM企業(yè)特殊應(yīng)用的小眾市場(chǎng)，通常三星，海力士將重點(diǎn)放在標(biāo)準(zhǔn)型DRAM上，對(duì)于利基型DRAM并沒(méi)有固定的生產(chǎn)線，而是根據(jù)市場(chǎng)需求來(lái)做調(diào)整安排，若晉華聯(lián)電能專心做好利基型DRAM，專為這一部分市場(chǎng)服務(wù)，無(wú)疑將更容易贏得客戶的信賴，有利于打開(kāi)整個(gè)DRAM市場(chǎng)。

　　3）合肥政府多方布局，意圖發(fā)展DRAM

　　合肥政府一直非常重視半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，早在2013年10月，合肥市政府就出臺(tái)了《合肥市集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2013～2020年）》，規(guī)劃中提到，合肥將重點(diǎn)發(fā)展芯片設(shè)計(jì)業(yè)和特色晶圓制造，并計(jì)劃到2020年，要建設(shè)3~5條特色8英寸或12英寸晶圓生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)綜合產(chǎn)能超10萬(wàn)~15萬(wàn)片/月。

　　2015年4月，合肥面板龍頭京東方傳出要切入DRAM領(lǐng)域，并于10月宣布要與兆基科技合作研發(fā)DRAM技術(shù)，后者是一家DRAM設(shè)計(jì)公司，由曾經(jīng)的DRAM市場(chǎng)龍頭企業(yè)爾必達(dá)（2012年被美光收購(gòu)）部分團(tuán)隊(duì)成員成立。

　　2016年2月，據(jù)日本NHK報(bào)道，合肥政府傳出將與兆基科技合作，由合肥政府初期將投入 8000 億日?qǐng)A（約460億人民幣），兆基科技則負(fù)責(zé)工廠設(shè)備引進(jìn)和生產(chǎn)計(jì)劃制定，目前廠房已經(jīng)在建設(shè)中，第一步是設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)科技所需的低耗電DRAM芯片。力爭(zhēng)2018年投入生產(chǎn)，預(yù)計(jì)投產(chǎn)后月產(chǎn)可達(dá)10萬(wàn)片。