不同類型的內存
DRAM在20世紀70年代進入商業市場,并以其極高的讀寫速度成為存儲市場的最大分支;功能手機的出現迎來了NOR Flash市場的爆發;PC時代對存儲容量的需求越來越大,使低成本、高容量的NAND閃存成為最佳選擇。
DRAM是動態隨機存儲器,它是易失性的,意味著每隔一段時間就需要刷新和充電,否則內部數據就會消失,一般用在電腦內存、手機、NAND Flash,又稱閃存,是一種非易失性存儲器,廣泛應用于eMMC/EMCP、USB閃存盤、固態硬盤等市場。另一方面,與NAND相比,NOR Flash的存儲密度更低,寫入速度更慢,操作也略復雜,更常用于汽車電子產品。
圖1:內存的分類
目前市場主要由NAND閃存、Nor Flash和DRAM存儲器主導。隨著技術的不斷發展和改進,可用的存儲器類型越來越多,技術要求也越來越高,性能也越來越高。其中包括鐵電存儲器(FRAM)、相變存儲器(PRAM)、磁存儲器(MRAM)、電阻存儲器(RRAM)以及最近的UltraRAM。
全球內存市場規模及增長率
今,半導體存儲器已成為半導體產業中最大的細分市場,約占全球半導體產業的三分之一。IC Insights預測,未來五年半導體存儲器將以6.8%的復合年增長率持續增長。
全球存儲芯片市場在波動中保持上升趨勢,市場規模從2005年的546億美元增長到2020年的1229億美元,復合增長率為5.6%。IC Insights預計,2021年全球內存芯片市場規模將同比增長22%,2023年將超過2000億美元。
存儲器行業的現狀及未來趨勢
隨著萬物智能時代的到來,人工智能、智能汽車等新興應用將對數據存儲在速度、功耗、容量、可靠性等方面提出更高要求,促使新型存儲器快速發展,影響未來存儲器市場格局。
DRAM雖然速度快,但功耗高、容量小、成本高,在斷電的情況下無法保存數據,限制了場景的使用;NOR Flash和NAND Flash讀寫速度低,存儲密度受工藝限制。市場需要能滿足新場景的內存產品,性能突破的新內存即將爆發。
目前,有四種主要類型的新記憶。
以3D Xp point為代表的相變存儲器,由英特爾和美光公司聯合開發。
鐵電RAM由Ramtron和Symetrix公司代理。
磁性RAM,由Everspin(美國)代表。
以松下、縱橫半導體和鑫源半導體為代表的電阻式RAM。
MRAM具有最佳的讀/寫速率和壽命,理論上有機會取代現有的存儲器和外部存儲器,但由于量子隧道效應涉及到,大規模制造難以保證均一性,且存儲容量和產量攀升緩慢。在工藝上取得進一步突破之前,MRAM產品主要適用于容量要求不高的特殊應用和新興的物聯網嵌入式存儲領域。
目前產品的主要問題是存儲密度太低,無法在容量上取代NAND閃存,而從其持續虧損的情況來看,英特爾3D Xpoint的成本和良率是瓶頸之一。目前PCM產品主要用于低延遲存儲中的持久內存和SSD緩存。
FRAM具有讀寫速度快、壽命長的優點,但其存儲單元是基于雙晶體管的,而雙電阻器單元,單元尺寸至少是DRAM的兩倍,存儲密度有限,成本高。并且其讀取是破壞性的,并且必須由每次讀取之后的后續寫入來抵消,以將該位的內容恢復到其原始狀態。在材料方面,目前的鐵電晶體材料PZT和SBT都存在疲勞退化和環境污染問題,尚未找到完善的商業化應用。兩家公司,Ramtron和Symetrix,目前正在領導FRAM的開發。
ReRAM在工藝方面與CMOS完全兼容,可以相對容易地擴展到高級工藝節點。然而,由于存儲介質中導電溝道的隨機性,在二進制存儲中很難保證大規模陣列的均勻性。也正因為ReRAM的這一特性,被普遍認為在神經網絡計算方面有著得天獨厚的優勢。未來ReRAM相關產品有機會用于特定算法的加速芯片領域。
新存儲產業尚不成熟,機遇大于挑戰。相對于傳統的DRAM和NAND Flash,新型存儲產業尚未形成行業壟斷,產品線也不夠清晰。從技術上看,未來存儲技術路線尚不明朗,技術有機會趕超甚至超越。市場上,隨著各國在5G、人工智能等新興領域的快速發展,存儲需求呈現爆發式增長,新型存儲有足夠廣闊的潛在市場。