2021開年，“缺貨”、“漲價”這兩大關鍵詞就博足了半導體從業(yè)人士的眼球。存儲市場在這波氛圍帶動下，也迎來全面上漲。日經(jīng)報道指出，老款的DRAM價格暴漲2倍，IC insight也披露，DRAM的平均銷售價格在今年第一季度比上一季度增長8%，而且?guī)缀跛?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/存儲器" target="_blank">存儲器供應商都預計2季度將有更強勁的需求。說到存儲器，國內(nèi)的長江存儲正在3D NAND領域“蓋樓”，與國際存儲大廠試比高，目前其128層已研發(fā)成功。

目前存儲器已經(jīng)形成主要由DRAM與NAND Flash構成的超千億美元的市場。在關注傳統(tǒng)存儲器的進展之外，近些年，隨著人工智能、5G和物聯(lián)網(wǎng)需求的崛起，存儲墻問題、內(nèi)存不具備非易失性、外存微縮艱難等問題凸顯，這些都勾起了行業(yè)內(nèi)對新型存儲器的探索。MKW Ventures的Mark Webb曾表示，在接下來的十年中，兩種新興的非易失性存儲器類型——相變存儲器（PCM）和磁RAM，將在獨立存儲器中處于領先地位。

以DRAM和閃存為代表的第三代存儲器已發(fā)展了近50年，中國目前發(fā)展難度極大，如何解決專利壁壘將是中國DRAM和閃存企業(yè)在產(chǎn)品上市后面臨的無法繞開的問題。但新型存儲產(chǎn)業(yè)尚未形成行業(yè)壟斷，存儲技術也尚未形成壁壘，總體來說機遇大于挑戰(zhàn)。那么新型存儲器能否成為我國在存儲業(yè)彎道超車的機會呢？國內(nèi)在新型存儲器上的進展如何呢？

新型存儲器成新興市場的選擇

數(shù)據(jù)是這個世界的新經(jīng)濟。根據(jù)IDC的研究，到2025年，由物聯(lián)網(wǎng)生成的數(shù)據(jù)總量將為79.4 ZB；目前還有100億移動設備正在使用中，每個移動設備將生成、存儲、共享和傳輸新數(shù)據(jù)集。在全球范圍內(nèi)，每天生成的數(shù)據(jù)總量約為2.5兆字節(jié)，并且數(shù)量正在迅速增加。所有這些數(shù)據(jù)在其整個生命周期中都需要內(nèi)存，而且所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)對芯片的處理能力提出了越來越嚴苛的要求。智能時代的到來，將引起存儲行業(yè)的新一輪爆發(fā)。

數(shù)據(jù)存儲和處理可以在云、核心網(wǎng)絡、邊緣網(wǎng)絡或設備本身中進行。當處理器需要在近距離處理數(shù)據(jù)時，最直接的方法是在同一芯片上構建處理器和內(nèi)存，如內(nèi)存內(nèi)計算。但是，由于現(xiàn)有的內(nèi)存制造工藝與標準CMOS邏輯工藝的差異，所有當前的存儲技術都無法以優(yōu)化的方式來做到這種類型的集成，內(nèi)存內(nèi)計算很難實現(xiàn)。在這方面，相變存儲器具有真正的獨特優(yōu)勢，因為其制造工藝從一開始便是無縫集成到最先進的CMOS工藝中，這使得相變存儲器可以用作“內(nèi)存內(nèi)”或“近內(nèi)存“計算的主存儲器，并可在同一芯片上設計對于數(shù)據(jù)處理功能強大的處理器。

相變存儲器被稱為PCM或PCRAM。早在1968年就被奧弗辛斯基（Stanford Ovshinsky）提出，他首次描述了基于相變理論的存儲器：材料由非晶體狀態(tài)變成晶體，再變回非晶體的過程中，其非晶體和晶體狀態(tài)呈現(xiàn)不同的光學特性和電阻特性，因此可以利用非晶態(tài)和晶態(tài)分別代表“0”和“1”來存儲數(shù)據(jù)，這一學說稱為奧弗辛斯基電子效應。

以前由于半導體工藝的限制，造成相變單元所需要的驅動電流過大，這也直接導致早期的相變存儲器并沒有贏得太多青睞，反而是利用硫系化合物其宏觀上光學反射率存在很大的差異，在商業(yè)上主要被用于多媒體數(shù)據(jù)光盤(DVD)，來實現(xiàn)兩個穩(wěn)定數(shù)據(jù)態(tài)的存儲。而后得益于半導體加工工藝的進步，使具有較小的驅動電流器件成為可能，并迎來了自身真正發(fā)展的契機。

而在當前主流的一些新型的存儲器如MRAM、ReRAM 和 PCM中，PCM被業(yè)界公認為工藝是最為成熟的，也是未來最有望取代當前傳統(tǒng)存儲器的高速存儲介質。

相較于其他類型的存儲器（包括NAND閃存），PCM具有多種優(yōu)勢：

更快的寫入周期：PCM提供了可能比NAND閃存快得多的寫入周期。NAND閃存要求在寫入新數(shù)據(jù)之前先擦除數(shù)據(jù)，而PCM則沒有這樣的要求，從而使其速度大大提高。

更快的訪問時間：研究發(fā)現(xiàn)，使用PCM可以實現(xiàn)低于5 ns的訪問時間。

耐力：考慮到PCM不需要首先擦除數(shù)據(jù)，供應商和研究人員估計相變存儲器比NAND閃存可以處理更多的寫周期。

降低功耗：PCM有望提供比NAND同類產(chǎn)品更低的功耗要求。

PCM是可執(zhí)行的：相變存儲器的獨特之處在于，它既可以執(zhí)行代碼，就像現(xiàn)有的DRAM一樣，也可以存儲像NAND這樣的數(shù)據(jù)。

IBM曾在一篇文章中指出，通過使用基于PCM的模擬芯片，機器學習可加速一千倍。

具體到應用上，在核心和邊緣網(wǎng)絡中，PCM可以用作為主內(nèi)存，以此來增加內(nèi)存總容量并同時減少內(nèi)存訪問延遲和成本?；赑CM的存儲產(chǎn)品，例如英特爾的Optane? DCPM也受到了數(shù)據(jù)中心運營商的廣泛關注和歡迎，因為DCPM產(chǎn)品已體現(xiàn)出在提高存儲性能的同時降低了成本的優(yōu)勢。

此外，對于物聯(lián)網(wǎng)相互連接的設備上的數(shù)據(jù)存儲，PCM不僅可以替換傳統(tǒng)的NOR或NAND 存儲器，還能憑借其NVM屬性和超快速的訪問時間，確保這些設備的最佳性能。

由于PCM具有接近DRAM的性能，因此可以將其直接連接到片上系統(tǒng)（SoC）中嵌入式MCU的處理器總線作為所謂的“緊密耦合存儲”（TCM），從而簡化并加速了系統(tǒng)啟動過程及對關鍵事件的響應并增強了安全性，因為所有關鍵數(shù)據(jù)始終可以隱藏在MCU芯片內(nèi)部。ST在2018年12月研發(fā)了一項車載嵌入式相變化存儲半導體，2019年其宣稱“Stellar”系列可內(nèi)置容量極大的嵌入式PCM。這也證明了PCM可在車載存儲領域發(fā)揮大作用。

隨著我們接近即將到達的半導體技術“十字路口”，PCM技術已漸進成熟并隨時準備支持技術競賽的下一站，無論其走向5G、AIoT還是數(shù)據(jù)中心。

把握新型存儲器發(fā)展時機，本土存儲力量崛起

據(jù)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>

而新型存儲器行伍中的相變存儲器PCM早已成為國際存儲大廠角逐的新領地，英特爾摒棄了發(fā)展多年的NAND業(yè)務，卻唯獨留下了Optane?技術，專心發(fā)展以PCM為代表的新型存儲器，這具有極強的風向標作用。SK海力士宣布在下一代相變存儲器中采用PUC（peri under cell）技術。ST將PCM嵌入其MCU中，探索在車載半導體中的應用。

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” 也被列入“科技前沿領域攻關”重點領域。在這種大環(huán)境和大機遇下，無論從經(jīng)濟上還是戰(zhàn)略上來看，發(fā)展新型存儲器PCM都是中國不可不把握的機遇。

好在，在相變存儲器領域，國內(nèi)不乏已有深耕者，北京時代全芯（AMT）就是其中一家。時代全芯從事PCM技術研發(fā)超過十年，是中國最早獲得IBM核心集成電路技術專利的民營企業(yè)，積累了豐富的PCM存儲技術和經(jīng)驗，儲備了一大批優(yōu)秀且經(jīng)驗豐富的工程師。

AMT于2019年8月發(fā)布了首款相變存儲產(chǎn)品——基于相變材料的2兆位可編程只讀相變存儲器（EEPROM）。這也是國內(nèi)首批商業(yè)化量產(chǎn)的相變存儲產(chǎn)品，標志著中國成為全球繼美光、三星之后少數(shù)幾個掌握相變存儲器研發(fā)、生產(chǎn)工藝和自主知識產(chǎn)權的公司。目前產(chǎn)品已下線，量產(chǎn)曙光在前。

今后，公司還將陸續(xù)推出大容量系列存儲產(chǎn)品，如：高密度相變存儲器（3D PCM）、三態(tài)內(nèi)容尋址存儲器（TCAM）、智能存儲器（Smart Memory）等，更好地滿足市場需求，也為中國的存儲業(yè)尤其是新型存儲產(chǎn)業(yè)添磚加瓦。

如前文所說，新型存儲產(chǎn)業(yè)市場還未成熟，各家也在不斷探索，壁壘尚未形成，而且，更重要的是像PCM這樣的新型存儲技術并不需要特別先進的工藝制成，其設備受限制較少，因此我國在這一領域具有換道超車的可能。我國應當抓住這樣一個大好的時機，大力發(fā)展PCM，保持與世界同步，我們的半導體產(chǎn)業(yè)才能快速趕上國際步伐。

結語

目前中國存儲器市場國產(chǎn)化率極低，但是縱觀國內(nèi)整個存儲產(chǎn)業(yè)鏈，存儲器國產(chǎn)化具備一定的產(chǎn)業(yè)基礎。在設計端，兆易創(chuàng)新從事NOR Flash、長鑫和西安華芯從事DRAM、長江存儲從事NAND Flash；在制造端，武漢新芯和中芯國際具備一定的制造能力，同時紫光國芯也開始布局該領域；在封測端，長電科技、華天科技和深科技均有一定的封測能力。在新型存儲器領域，有時代全芯這樣“一門心思”死磕相變存儲器的。國產(chǎn)存儲器崛起的旭日正冉冉升起。

不過，半導體創(chuàng)企的道路注定艱難，如今國內(nèi)存儲的“種子”已經(jīng)播下，我們應多給創(chuàng)企們一些時間，靜待花開結果。