存儲器是現(xiàn)代信息系統(tǒng)最關鍵的組件之一，已經形成主要由DRAM與NAND Flash構成的超千億美元的市場。隨著萬物智聯(lián)時代的到來，人工智能、智能汽車等新興應用場景對存儲提出了更高的性能要求，促使新型存儲器迅速發(fā)展，影響未來存儲器市場格局。

　　我國正在大力發(fā)展存儲產業(yè)，除了在傳統(tǒng)存儲器上努力實現(xiàn)追趕，也在提前布局新型存儲器，這將是未來存儲產業(yè)生態(tài)的重要部分。

　　新型存儲器究竟指什么，有哪些技術原理，競爭格局如何，未來發(fā)展前景會是怎樣？

　　本期「云岫研究」，我們聚焦于新型存儲器中的阻變存儲器 （ReRAM或RRAM，Resistive RAM），并通過分析其技術、應用場景與模式，得出如下判斷：

　　1.萬物智聯(lián)時代，需要速度、功耗、容量等性能更強的新型存儲器；2.對比四大新型存儲器，ReRAM在密度、工藝制程、成本和良率上具備明顯優(yōu)勢；3.AIoT、智能汽車、數據中心、AI計算（存算一體）將是ReRAM的重要發(fā)展機遇；4.IDM模式是ReRAM廠商的最佳選擇；

　　5.新型存儲器是中國實現(xiàn)存儲領域彎道超車的最佳機會。

　　存儲器是半導體最大細分市場

　　新型存儲器是未來選擇

　　存儲器是半導體產業(yè)的風向標和最大細分市場，約占半導體產業(yè)的三分之一。智能時代的到來，將引起存儲行業(yè)的新一輪爆發(fā)。

　　據YOLE統(tǒng)計，2019年以來，存儲器成為半導體增速最快的細分行業(yè)，總體市場空間將從2019年的1110億美元增長至2025年的1850億美元，年復合增長率為9%。細分市場中，新型存儲器市場增速最快，將從5億美元增長到40億美元，年復合增長率達到42%，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

　　圖1：全球存儲器市場規(guī)模及增速

　?。ㄙY料來源：YOLE）

　　存儲器可以按照斷電是否能保存數據分為兩類。

　　圖2：存儲器分類（云岫資本整理）

　　第一類易失性存儲器是以動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）代表的易失性存儲器，二者均具備高讀寫速度。其中SRAM速度高于DRAM，但密度低于DRAM，這是因為一個DRAM存儲單元僅需一個晶體管和一個小電容，而每個SRAM單元需要四到六個晶體管。其共同的缺點是容量較低且成本高，一般分別用作主存和緩存。

　　第二類非易失性存儲器包括以NOR FLASH和NAND FLASH為代表的傳統(tǒng)存儲器和四種新型存儲器。NOR FLASH的容量較小且寫入速度極低，但讀速較快，具備芯片內執(zhí)行的特點，適合低容量、快速隨機讀取訪問的場景；NAND FLASH的容量大成本較低，但讀寫速度極低，一般用于大容量的數據存儲。

　　除FRAM以外的新型存儲器均是通過阻值高低變化實現(xiàn)“0”“1”數據存儲，四種新型存儲器均具備非易失性，斷電后仍可以保存數據，相比傳統(tǒng)存儲器在讀寫速度、功耗、壽命等方面各有優(yōu)勢。

　　存儲器的發(fā)展取決于應用場景的變化。

　　圖3：存儲的過去、現(xiàn)在與未來

　　——場景應用決定市場趨勢（云岫資本整理）

　　20世紀70年代起，DRAM進入商用市場，并以其極高的讀寫速度成為存儲領域最大分支市場；功能手機出現(xiàn)后，迎來NOR Flash市場的爆發(fā)；進入PC時代，人們對于存儲容量的需求越來越大，低成本、高容量的NAND Flash成為最佳選擇。

　　智能化時代里，萬物智聯(lián)，存儲行業(yè)市場空間將進一步加大，對數據存儲在速度、功耗、容量、可靠性層面也將提出更高要求。而DRAM雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無法保存數據，使用場景受限；NOR Flash和NAND Flash讀寫速度低，存儲密度受限于工藝制程。市場亟待能夠滿足新場景的存儲器產品，性能有著突破性進展的新型存儲器即將迎來爆發(fā)期。

　　對比四種新型存儲器

　　ReRAM在密度、工藝制程、成本和良率上

　　具備明顯優(yōu)勢

　　目前，新型存儲器主要有4種：

　　相變存儲器（PCM），以Intel和Micron聯(lián)合研發(fā)的3D Xpoint為代表；鐵電存儲器（FeRAM），代表公司有Ramtron和Symetrix；磁性存儲器（MRAM），代表公司是美國Everspin；阻變存儲器（ReRAM），代表公司有松下、Crossbar和昕原半導體。

　　表1：4種新型存儲器參數對比

　?。ㄙY料來源：Objective Analysis）

　　1.相變存儲器（PCM或PCRAM，Phase-change RAM）PCM的原理是通過改變溫度，讓相變材料在低電阻結晶（導電）狀態(tài)與高電阻非結晶（非導電）狀態(tài)間轉換。

　　圖4：PCM原理（資料來源：Intel）

　　PCM雖然讀寫速度比NAND Flash有所提高，但其RESET后的冷卻過程需要高熱導率，會帶來更高功耗，且由于其存儲原理是利用溫度實現(xiàn)相變材料的阻值變化，所以對溫度十分敏感，無法用在寬溫場景。其次，為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCM必須采取多層結構，因此存儲密度過低，在容量上無法替代NAND Flash。除此之外，成本和良率也是瓶頸之一。

　　Intel和Samsung于2006年生產了第一款商用PCM芯片。2015年，Intel和Micron合作開發(fā)了名為3D XPoint的存儲技術，該技術也是PCM的一種。2018年雙方結束了聯(lián)合開發(fā)工作，2021年3月，Micron宣布停止所有基于3D XPoint技術產品的進一步開發(fā)。

　　2.鐵電存儲器 （FRAM或FeRAM，F(xiàn)erroelectric RAM）FRAM并非使用鐵電材料，只是由于存儲機制類似鐵磁存儲的滯后行為，因此得名。FRAM晶體材料的電壓-電流關系具有可用于存儲的特征滯后回路。

　　圖5：FRAM原理（資料來源：Objective Analysis）

FRAM優(yōu)勢在于讀寫速度快、壽命良好，但其存儲單元基于雙晶體管，雙電阻器單元，單元尺寸至少是DRAM的兩倍，存儲密度受限，成本較高。并且它的讀取是破壞性的，每次讀取后必須通過后續(xù)寫入來抵消，以將該位的內容恢復到其原始狀態(tài)。

　　材料方面，目前鐵電晶體材料PZT（鋯鈦酸鉛）和SBT（鉭酸鍶鉍）都存在疲勞退化、污染環(huán)境等問題，尚未找到完美商業(yè)化的材料。

　　目前，Ramtron（歸屬于Cypress）和Symetrix兩家公司正主導FRAM的開發(fā)。

　　3.磁性存儲器 （MRAM，Magnetic RAM）

　　目前主流的MRAM技術是STT MRAM，使用隧道層的“巨磁阻效應”來讀取位單元，當該層兩側的磁性方向一致時為低電阻，當磁性方向相反時，電阻會變得很高。

　　圖6：MRAM原理

　?。ㄙY料來源：Avalanche Technology）

　　STT MRAM雖然性能較好，但臨界電流密度和功耗仍需進一步降低，目前MRAM的存儲單元尺寸仍較大且不支持堆疊，工藝較為復雜，大規(guī)模制造難以保證均一性，存儲容量和良率爬坡緩慢。在工藝取得進一步突破之前，MRAM產品主要適用于容量要求低的特殊應用領域，以及新興的IoT嵌入式存儲領域。

　　商業(yè)上，Everspin與Global Foundries合作，UMC與Avalanche Technology合作，推廣STT-MRAM。

　　4.阻變存儲器 （ReRAM或RRAM，Resistive RAM）阻變存儲器全稱是電阻式隨機存取存儲器，是以非導性材料的電阻在外加電場作用下，在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實現(xiàn)可逆轉換為基礎的非易失性存儲器。ReRAM包括許多不同的技術類別，比如氧空缺存儲器（OxRAM，Oxygen Vacancy Memories）、導電橋存儲器 （CBRAM，Conductive Bridge Memories）、金屬離子存儲器（Metal Ion Memories）以及納米碳管 （Carbon Nano-tubes）。

　　圖7：ReRAM原理

　　（資料來源：Objective Analysis）

　　ReRAM的單元面積極小，可做到4F?，讀寫速度是NAND FLASH的1000倍，同時功耗下降15倍。

　　ReRAM工藝也更為簡單。以Crossbar和昕原半導體為例，其采用對CMOS友善的材料，能夠使用標準的CMOS工藝與設備，對產線無污染，整體制造成本低，可以很容易地讓半導體代工廠具備ReRAM的生產制造能力，這對于量產和商業(yè)化推動有很大優(yōu)勢。

　　圖8：Crossbar的電阻切換機制和新型3D堆疊ReRAM（資料來源：Crossbar官網）

　　上圖是Crossbar的ReRAM結構設計，大致分為頂部電極，開關介質和底部電極三層結構，其電阻切換機制是：兩個電極之間施加電壓時，切換材料中將形成納米細絲，通過細絲連接上下兩個電極，改變轉換層的電阻，細絲相連代表存儲值“1”，細絲斷裂代表存儲值“0”。

　　由于電阻切換機制基于金屬導絲，因此Crossbar ReRAM單元非常穩(wěn)定，能夠承受從-40°C到125°C的溫度波動，寫周期為1M +，在85°C的溫度下可保存10年。

　　從密度、能效比、成本、工藝制程和良率各方面綜合衡量，ReRAM存儲器在目前已有的新型存儲器中具備明顯優(yōu)勢。

　　ReRAM國內外發(fā)展現(xiàn)狀

　　在商業(yè)化上，Crossbar、昕原半導體、松下、Adesto、Elpida、東芝、索尼、美光、海力士、富士通等廠商都在開展ReRAM的研究和生產，其中專注IP授權的Crossbar對于ReRAM的基礎技術研發(fā)走在了前列。

　　Crossbar研發(fā)了兩種存儲架構——1T1R和3D堆疊式架構，3D堆疊技術可實現(xiàn)存儲級內存，內置選擇器允許多種存儲陣列配置，單個晶體管可以驅動數千個存儲單元，可以組織成超密集的3D交叉點陣列，可堆疊并能夠擴展到10nm以下，從而為單個裸片上的TB級存儲鋪平了道路。

　　在代工廠方面，中芯國際（SMIC）、臺積電（TSMC）和聯(lián)電（UMC）都已經將ReRAM納入自己未來的發(fā)展版圖中。

　　根據公開信息，已量產的海外ReRAM存儲器主要有Adesto的130nm CBRAM和松下的180nm ReRAM。松下（Panasonic）在2013年開始出貨ReRAM，成為了世界第一家出貨ReRAM的公司。接著，松下與富士通聯(lián)合推出了第二代ReRAM技術，基于180nm工藝。而Adesto 一直在緩慢地出貨低密度 CBRAM。

　　國內，昕原半導體在Crossbar的基礎上實現(xiàn)了技術核心升級和工藝制程的改進，實現(xiàn)28nm量產，并且已建成自己的首條量產線，擁有了垂直一體化存儲器設計加制造的能力。兆易創(chuàng)新和Rambus宣布合作建立合資企業(yè)合肥?？莆ⅲ≧eliance Memory），進行ReRAM技術的商業(yè)化，但目前還無量產消息。

　　ReRAM迎來四大發(fā)展機遇：

　　AIoT、智能汽車、數據中心、AI計算

　　1.AIoT

　　AIoT指人工智能技術與物聯(lián)網在實際應用中的落地融合。根據艾瑞咨詢數據，2019 年中國 AIoT 產業(yè)總產值為3808 億元，預計2022年將達7509億元，年復合增長率達25.4%。

　　AIoT需要數據的實時交互，因此不僅要求存儲器低功耗，也需要高讀寫和低延遲。目前的NOR Flash存儲密度低、容量小、功耗高，無法實現(xiàn)高寫入速度。而ReRAM在保證讀性能的情況下，寫入速度可提升1000倍，同時可實現(xiàn)更高存儲密度和十分低的功耗，未來將會是取代NOR Flash成為萬物智聯(lián)時代存儲器的最佳選擇。

　　隨著人與物交互信息越來越多，很多私人信息會被存儲記錄，物聯(lián)網在帶來生活便利的同時，也帶來了潛在的數據安全隱患，針對物聯(lián)網的攻擊甚至可以通過設備傳遞到現(xiàn)實生活中帶來難以想象的破壞。AIoT應用越來越多要求具備安全屬性。然而，目前普遍的安全芯片+Nor Flash方案存在成本高、空間受限等痛點。PUF（Physically Unclonable Function，物理不可克隆函數）+新型存儲器芯片有望成為解決智能設備存儲與安全問題的主流方案。

　　PUF是一種利用芯片在半導體生產過程中的工藝波動性來生成芯片唯一函數，能夠做到一芯一密，可稱之為“芯片指紋”。目前，昕原半導體設計了基于ReRAM存儲器的PUF芯片，可以同時具備存儲加安全兩個功能。

　　2.智能汽車

　　汽車電子根據功能可分為車身控制系統(tǒng)（ECU）、安全系統(tǒng)、娛樂設備、底盤控制、高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等，都需要半導體器件實現(xiàn)相關功能，包括存儲器、傳感器、光電器件、射頻器件、功率器件等。

　　根據Counterpoint Research預測，未來單車存儲容量將達到2TB-11TB，一輛L4/L5級自動駕駛汽車至少需要74GB DRAM和1TB NAND。據IHS預測，全球汽車存儲IC市場規(guī)模2025年約為83億美元。

　　智能汽車對存儲器的要求不僅在于溫度和可靠性。控制系統(tǒng)需要智能化實時決策；ADAS系統(tǒng)時刻產生大量圖像數據；娛樂系統(tǒng)需要更加智能來提升用戶體驗；能耗對于智能汽車也是關鍵性因素……這些都要求存儲器具備大量的數據實時吞吐能力，保證存儲穩(wěn)定性和高能效比。

　　傳統(tǒng)的NOR Flash無法滿足未來智能汽車對讀寫速度（特別是XIP程序執(zhí)行效率）的要求；NAND Flash難以實現(xiàn)XIP片上的程序執(zhí)行并且極慢；DRAM和SRAM容量有限，斷電數據會丟失。新型存儲器中，ReRAM不僅滿足高讀寫速度和存儲密度的要求，同時延遲可降低1000倍，可滿足未來智能駕駛高實時數據吞吐量。

　　安全性方面，ReRAM具備寬溫和可靠性。未來有望出現(xiàn)高性能、高集成度、高穩(wěn)定性和低功耗的車規(guī)ReRAM存儲器。

　　3.數據中心

　　AI時代，數據呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，越來越多的數據將在云端進行處理，根據思科預測，2021年全球將有1327EB數據存儲在數據中心，6年復合增長率率高達41%。根據《2019-2020年中國IDC產業(yè)發(fā)展研究報告》預測，2022年中國數據中心市場規(guī)模將超過3200億元。

　　數據量的爆發(fā)催生對存儲器新的增量市場和性能要求，據SUMCO預測，數據中心對SSD存儲的需求將在2019年到2023年之間實現(xiàn)46%的復合增長。但目前數據中心存儲器性能發(fā)展速度無法跟上計算需求，并且功耗仍是數據中心成本最高的因素之一。

　　傳統(tǒng)機械硬盤雖然壽命長成本低，但是讀寫速度極低且發(fā)熱和噪聲明顯。DRAM雖速度較快但為易失性存儲器，斷電無法保存數據且成本極高，無法作為大量存儲數據使用。而NAND讀寫速度仍較慢，另一方面功耗較高，性能和容量與工藝制程強相關?，F(xiàn)有存儲器無法跟上未來對數據高讀寫速度，低延遲，低功耗的需求。

　　ReRAM相較NAND可提升100倍的讀寫性能，同時保持更低的功耗和高存儲密度，有望解決未來數據中心高能效比，低延遲的需求，實現(xiàn)更高性能的AI數據中心。

　　4.AI計算（存算一體）

　　人工智能是目前技術發(fā)展的重要趨勢，根據沙利文咨詢數據，2016-2024年人工智能的年均增長率達到33.98%，預計2024年將超過6157億美元。而我國人工智能產業(yè)規(guī)模預計2024年將逼近8000億元，約占全球總體產業(yè)規(guī)模的20%，復合增長率達到48.97%，大大超過全球平均水平。

　　算力、算法、數據量是人工智能發(fā)展的三大基礎要素，它們決定了AI計算的性能，這其中的兩點都與存儲相關：數據由存儲器承載，數據量決定了AI計算模型的準確度；算力方面，未來對芯片計算性能和延遲性都提出了更高要求。

　　目前的馮諾依曼架構，存儲單元和計算單元獨立分開，搬移數據的過程需要消耗大量時間和能量，并且由于處理器和存儲器的工藝路線不同，存儲器的數據訪問速度難以跟上CPU的數據處理速度，性能已遠遠落后于處理器。所以，馮諾依曼架構在數據處理速度和能效比等方面存在天然限制，這被稱為“存儲墻”。

　　存算一體架構通過將存儲單元和計算單元融為一體，消除了數據訪存帶來的延遲和功耗，可以突破“存儲墻”，實現(xiàn)更高的算力和更高的能效比。

　　圖9：存算一體突破存儲墻（云岫資本整理）

　　目前存算一體有兩種實現(xiàn)方式，第一種是基于易失性存儲器DRAM和SRAM，但由于存儲器制造工藝和邏輯計算單元的制造工藝不同，無法實現(xiàn)良好的融合，目前只能實現(xiàn)近存計算，仍存在存儲墻問題，甚至因為互連問題可能還會帶來性能損失。并且，因為SRAM和DRAM是易失性存儲器，需要持續(xù)供電來保存數據，仍存在功耗和可靠性的問題。

　　第二種是結合非易失性新型存儲器，可以利用歐姆定律和基爾霍夫定律在陣列內完成矩陣乘法運算，而無需向芯片內移入和移出權重。新型存儲器是通過阻值變化來存儲數據，而存儲器加載的電壓等于電阻和電流的乘積，相當于每個單元可以實現(xiàn)一個乘法運算，再匯總相加便可以實現(xiàn)矩陣乘法，所以新型存儲器天然具備存儲和計算的屬性。在這種情況下，同一單元就可以完成數據存儲和計算，消除了數據訪存帶來的延遲和功耗，是真正意義上的存算一體。

　　新型存儲器中，ReRAM具有高集成密度、高開關比、高計算精度、高能效比和制造兼容CMOS工藝等優(yōu)良特性，被認為是實現(xiàn)存算一體的最佳選擇之一。

　　圖10：新型存儲器實現(xiàn)存算一體

　　（Nature Nanotechnology）

　　IDM模式是ReRAM廠商的最佳選擇

　　存儲行業(yè)中，純芯片設計公司難以擺脫對代工廠的依賴，不僅生產周期長、成本高，而且無法根據生產工藝做出適配性設計；而純代工企業(yè)利潤較低無法享受更多新技術紅利。因此，目前世界前十大半導體公司中的4家存儲公司，全部為IDM模式，擁有存儲芯片設計加制造的全套能力。

　　對于以ReRAM為代表的新型存儲器而言，IDM模式不僅工藝和產能自主可控，同時可以不斷進行迭代優(yōu)化，通過高良率和高性能迅速筑起行業(yè)壁壘，是存儲器行業(yè)發(fā)展最佳的商業(yè)模式。

　　新型存儲器是

　　中國實現(xiàn)存儲領域彎道超車的最佳機會

　　目前中國存儲器市場國產化率極低，傳統(tǒng)存儲器先進技術均掌握在美國、韓國和日本手中，中國在最新產品性能上落后5-10年。三星、海力士和美光壟斷了以DRAM為代表的易失性存儲器市場，而以NAND為代表的非易失性存儲器也被三星、鎧俠、閃迪、美光和海力士壟斷。

　　而在ReRAM等新型存儲器的發(fā)展上，中國與其他國家站在同一起跑線，都有機會出現(xiàn)下一個三星和海力士。

　　在這中國存儲產業(yè)突圍的關鍵時期，一系列相關政策陸續(xù)出臺，重點支持存儲行業(yè)。

　　國家“十四五”規(guī)劃綱要中，在加強原創(chuàng)性引領性科技攻關方面，“先進存儲技術升級”被列入“科技前沿領域攻關”重點領域；在加快推動數字產業(yè)化方面，《綱要》提到，培育壯大人工智能、大數據、區(qū)塊鏈、云計算、網絡安全等新興數字產業(yè)，提升通信設備、核心電子元器件、關鍵軟件等產業(yè)水平。

　　圖11：“十四五”規(guī)劃綱要

　　專欄2 科技前沿領域攻關

　　2021年3月，臨港新片區(qū)發(fā)布集成電路產業(yè)專項規(guī)劃（2021-2025），提到要“在阻變存儲器（ReRAM）等新興領域實現(xiàn)增量發(fā)展”。

　　圖12：節(jié)選自

　　《臨港新片區(qū)集成電路產業(yè)專項規(guī)劃（2021-2025）》

　　目前，很多曾在世界頂尖企業(yè)擔任高管的產業(yè)專家紛紛回國創(chuàng)業(yè)，不僅帶來了先進技術和經驗，也吸引了一批有志之士共同打造中國芯。天時地利人和之下，中國新型存儲器未來可期！