2021開年，“缺貨”、“漲價(jià)”這兩大關(guān)鍵詞就博足了半導(dǎo)體從業(yè)人士的眼球。存儲(chǔ)市場(chǎng)在這波氛圍帶動(dòng)下，也迎來(lái)全面上漲。日經(jīng)報(bào)道指出，老款的DRAM價(jià)格暴漲2倍，IC insight也披露，DRAM的平均銷售價(jià)格在今年第一季度比上一季度增長(zhǎng)8%，而且?guī)缀跛?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/存儲(chǔ)器" target="_blank">存儲(chǔ)器供應(yīng)商都預(yù)計(jì)2季度將有更強(qiáng)勁的需求。說(shuō)到存儲(chǔ)器，國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)江存儲(chǔ)正在3D NAND領(lǐng)域“蓋樓”，與國(guó)際存儲(chǔ)大廠試比高，目前其128層已研發(fā)成功。

目前存儲(chǔ)器已經(jīng)形成主要由DRAM與NAND Flash構(gòu)成的超千億美元的市場(chǎng)。在關(guān)注傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的進(jìn)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(chǔ)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(duì)新型存儲(chǔ)器的探索。MKW Ventures的Mark Webb曾表示，在接下來(lái)的十年中，兩種新興的非易失性存儲(chǔ)器類型——相變存儲(chǔ)器（PCM）和磁RAM，將在獨(dú)立存儲(chǔ)器中處于領(lǐng)先地位。

以DRAM和閃存為代表的第三代存儲(chǔ)器已發(fā)展了近50年，中國(guó)目前發(fā)展難度極大，如何解決專利壁壘將是中國(guó)DRAM和閃存企業(yè)在產(chǎn)品上市后面臨的無(wú)法繞開的問題。但新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)尚未形成行業(yè)壟斷，存儲(chǔ)技術(shù)也尚未形成壁壘，總體來(lái)說(shuō)機(jī)遇大于挑戰(zhàn)。那么新型存儲(chǔ)器能否成為我國(guó)在存儲(chǔ)業(yè)彎道超車的機(jī)會(huì)呢？國(guó)內(nèi)在新型存儲(chǔ)器上的進(jìn)展如何呢？

新型存儲(chǔ)器成新興市場(chǎng)的選擇

數(shù)據(jù)是這個(gè)世界的新經(jīng)濟(jì)。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(dòng)設(shè)備正在使用中，每個(gè)移動(dòng)設(shè)備將生成、存儲(chǔ)、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(gè)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(duì)芯片的處理能力提出了越來(lái)越嚴(yán)苛的要求。智能時(shí)代的到來(lái)，將引起存儲(chǔ)行業(yè)的新一輪爆發(fā)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理可以在云、核心網(wǎng)絡(luò)、邊緣網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備本身中進(jìn)行。當(dāng)處理器需要在近距離處理數(shù)據(jù)時(shí)，最直接的方法是在同一芯片上構(gòu)建處理器和內(nèi)存，如內(nèi)存內(nèi)計(jì)算。但是，由于現(xiàn)有的內(nèi)存制造工藝與標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯工藝的差異，所有當(dāng)前的存儲(chǔ)技術(shù)都無(wú)法以優(yōu)化的方式來(lái)做到這種類型的集成，內(nèi)存內(nèi)計(jì)算很難實(shí)現(xiàn)。在這方面，相變存儲(chǔ)器具有真正的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠渲圃旃に噺囊婚_始便是無(wú)縫集成到最先進(jìn)的CMOS工藝中，這使得相變存儲(chǔ)器可以用作“內(nèi)存內(nèi)”或“近內(nèi)存“計(jì)算的主存儲(chǔ)器，并可在同一芯片上設(shè)計(jì)對(duì)于數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大的處理器。

相變存儲(chǔ)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(chǔ)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(xué)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(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這一學(xué)說(shuō)稱為奧弗辛斯基電子效應(yīng)。

以前由于半導(dǎo)體工藝的限制，造成相變單元所需要的驅(qū)動(dòng)電流過大，這也直接導(dǎo)致早期的相變存儲(chǔ)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(xué)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(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)穩(wěn)定數(shù)據(jù)態(tài)的存儲(chǔ)。而后得益于半導(dǎo)體加工工藝的進(jìn)步，使具有較小的驅(qū)動(dòng)電流器件成為可能，并迎來(lái)了自身真正發(fā)展的契機(jī)。

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

相較于其他類型的存儲(chǔ)器（包括NAND閃存），PCM具有多種優(yōu)勢(shì)：

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(shí)間：研究發(fā)現(xiàn)，使用PCM可以實(shí)現(xiàn)低于5 ns的訪問時(shí)間。

耐力：考慮到PCM不需要首先擦除數(shù)據(jù)，供應(yīng)商和研究人員估計(jì)相變存儲(chǔ)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(chǔ)器的獨(dú)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(chǔ)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(jī)器學(xué)習(xí)可加速一千倍。

具體到應(yīng)用上，在核心和邊緣網(wǎng)絡(luò)中，PCM可以用作為主內(nèi)存，以此來(lái)增加內(nèi)存總?cè)萘坎⑼瑫r(shí)減少內(nèi)存訪問延遲和成本?；赑CM的存儲(chǔ)產(chǎn)品，例如英特爾的Optane? DCPM也受到了數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商的廣泛關(guān)注和歡迎，因?yàn)镈CPM產(chǎn)品已體現(xiàn)出在提高存儲(chǔ)性能的同時(shí)降低了成本的優(yōu)勢(shì)。

此外，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)相互連接的設(shè)備上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，PCM不僅可以替換傳統(tǒng)的NOR或NAND 存儲(chǔ)器，還能憑借其NVM屬性和超快速的訪問時(shí)間，確保這些設(shè)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(chǔ)”（TCM），從而簡(jiǎn)化并加速了系統(tǒng)啟動(dòng)過程及對(duì)關(guān)鍵事件的響應(yīng)并增強(qiáng)了安全性，因?yàn)樗嘘P(guān)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(xiàng)車載嵌入式相變化存儲(chǔ)半導(dǎo)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(chǔ)領(lǐng)域發(fā)揮大作用。

隨著我們接近即將到達(dá)的半導(dǎo)體技術(shù)“十字路口”，PCM技術(shù)已漸進(jìn)成熟并隨時(shí)準(zhǔn)備支持技術(shù)競(jìng)賽的下一站，無(wú)論其走向5G、AIoT還是數(shù)據(jù)中心。

把握新型存儲(chǔ)器發(fā)展時(shí)機(jī)，本土存儲(chǔ)力量崛起

據(jù)YOLE統(tǒng)計(jì)，2019年以來(lái)，存儲(chǔ)器成為半導(dǎo)體增速最快的細(xì)分行業(yè)，總體市場(chǎng)空間將從2019年的1110億美元增長(zhǎng)至2025年的1850億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為9%。 細(xì)分市場(chǎng)中，新型存儲(chǔ)器市場(chǎng)增速最快 ，將從5億美元增長(zhǎng)到40億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到42%，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

而新型存儲(chǔ)器行伍中的相變存儲(chǔ)器PCM早已成為國(guó)際存儲(chǔ)大廠角逐的新領(lǐng)地，英特爾摒棄了發(fā)展多年的NAND業(yè)務(wù)，卻唯獨(dú)留下了Optane?技術(shù)，專心發(fā)展以PCM為代表的新型存儲(chǔ)器，這具有極強(qiáng)的風(fēng)向標(biāo)作用。SK海力士宣布在下一代相變存儲(chǔ)器中采用PUC（peri under cell）技術(shù)。ST將PCM嵌入其MCU中，探索在車載半導(dǎo)體中的應(yīng)用。

國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要中，在加強(qiáng)原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān)方面， “先進(jìn)存儲(chǔ)技術(shù)升級(jí)” 也被列入“科技前沿領(lǐng)域攻關(guān)”重點(diǎn)領(lǐng)域。在這種大環(huán)境和大機(jī)遇下，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上還是戰(zhàn)略上來(lái)看，發(fā)展新型存儲(chǔ)器PCM都是中國(guó)不可不把握的機(jī)遇。

好在，在相變存儲(chǔ)器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)不乏已有深耕者，北京時(shí)代全芯（AMT）就是其中一家。時(shí)代全芯從事PCM技術(shù)研發(fā)超過十年，是中國(guó)最早獲得IBM核心集成電路技術(shù)專利的民營(yíng)企業(yè)，積累了豐富的PCM存儲(chǔ)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，儲(chǔ)備了一大批優(yōu)秀且經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師。

AMT于2019年8月發(fā)布了首款相變存儲(chǔ)產(chǎn)品——基于相變材料的2兆位可編程只讀相變存儲(chǔ)器（EEPROM）。這也是國(guó)內(nèi)首批商業(yè)化量產(chǎn)的相變存儲(chǔ)產(chǎn)品，標(biāo)志著中國(guó)成為全球繼美光、三星之后少數(shù)幾個(gè)掌握相變存儲(chǔ)器研發(fā)、生產(chǎn)工藝和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(chǔ)產(chǎn)品，如：高密度相變存儲(chǔ)器（3D PCM）、三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器（TCAM）、智能存儲(chǔ)器（Smart Memory）等，更好地滿足市場(chǎng)需求，也為中國(guó)的存儲(chǔ)業(yè)尤其是新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)添磚加瓦。

如前文所說(shuō)，新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)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(chǔ)技術(shù)并不需要特別先進(jìn)的工藝制成，其設(shè)備受限制較少，因此我國(guó)在這一領(lǐng)域具有換道超車的可能。我國(guó)應(yīng)當(dāng)抓住這樣一個(gè)大好的時(shí)機(jī)，大力發(fā)展PCM，保持與世界同步，我們的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)才能快速趕上國(guó)際步伐。

結(jié)語(yǔ)

目前中國(guó)存儲(chǔ)器市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化率極低，但是縱觀國(guó)內(nèi)整個(gè)存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)鏈，存儲(chǔ)器國(guó)產(chǎn)化具備一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)端，兆易創(chuàng)新從事NOR Flash、長(zhǎng)鑫和西安華芯從事DRAM、長(zhǎng)江存儲(chǔ)從事NAND Flash；在制造端，武漢新芯和中芯國(guó)際具備一定的制造能力，同時(shí)紫光國(guó)芯也開始布局該領(lǐng)域；在封測(cè)端，長(zhǎng)電科技、華天科技和深科技均有一定的封測(cè)能力。在新型存儲(chǔ)器領(lǐng)域，有時(shí)代全芯這樣“一門心思”死磕相變存儲(chǔ)器的。國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)器崛起的旭日正冉冉升起。

不過，半導(dǎo)體創(chuàng)企的道路注定艱難，如今國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)的“種子”已經(jīng)播下，我們應(yīng)多給創(chuàng)企們一些時(shí)間，靜待花開結(jié)果。