存储芯片是什么 存储芯片的分类及发展历史

 

 

存储芯片是半导体行业中非常重要的一类产品，我们日常所有的电子设备基本都会用到存储器。据WSTS预测，2023年全球存储芯片市场规模将达到1675亿美元，占比约30%；其中中国存储器市场空间巨大，预计2023年国内存储芯片市场规模将达到6492亿元(约942亿美元)，约占全球市场的55.8%。

一、什么是存储芯片

存储芯片的定义

存储芯片，是嵌入式系统芯片的概念在存储行业的具体应用。因此，无论是系统芯片还是存储芯片，都是通过在单一芯片中嵌入软件，实现多功能和高性能，以及对多种协议、多种硬件和不同应用的支持。

2.操作方式：

对存储行业而言，存储芯片主要以两种方式实现产品化：

1)ASIC技术实现存储芯片

ASIC(专用集成电路)在存储和网络行业已经得到了广泛应用。除了可以大幅度地提高系统处理能力，加快产品研发速度以外，ASIC更适于大批量生产的产品，根椐固定需求完成标准化设计。在存储行业，ASIC通常用来实现存储产品技术的某些功能，被用做加速器，或缓解各种优化技术的大量运算对CPU造成的过量负载所导致的系统整体性能的下降。

2)FPGA 技术实现存储芯片

FPGA（现场可编程门阵列）是专用集成电路（ASIC）中级别最高的一种。与ASIC相比，FPGA能进一步缩短设计周期，降低设计成本，具有更高的设计灵活性。当需要改变已完成的设计时，ASIC的再设计时间通常以月计算，而FPGA的再设计则以小时计算。这使FPGA具有其他技术平台无可比拟的市场响应速度。新一代FPGA具有卓越的低耗能、快速迅捷（多数工具以微微秒-百亿分之一秒计算）的特性。

二、存储芯片的分类

半导体存储是存储领域的应用领域最广、市场规模最大的存储器件。按照停电后数据是否可继续保存在器件内，半导体存储器可分为掉电易失和掉电非易失器件；

1)易失存储器在过去的几十年里没有特别大的变化，依然是以静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）为主；

2)非易失存储器从早期的不可擦除PROM，到后来的光可擦除EPROM、电可擦除EEPROM，到现在的主流的Flash，技术在不断的更新、进步。现在RAM领域还出现了铁电存储器（FRAM）、相变存储器（PRAM）、磁存储器（MRAM）和阻变存储器（RRAM）等非易失静态存储器。

1.EEPROM的全称是“电可擦除可编程只读存储器”，可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程，一般用在即插即用。在一些所需存储容量不大，并且需要频繁更新的场合，EEPROM相比较于Flash，由于其百万次的擦写次数和更快速的写入，成为更佳选择。近年来，EEPROM除了越来越多的集成到SOC芯片中，也可搭配AMOLED、指纹、触控、摄像头、蓝牙、无线等芯片形成模组。EEPROM以其通用性，稳定耐用的数据存储，各种小容量规格，能满足摄像头模组、可穿戴设备等对参数存储的要求。

2.NOR Flash应用领域极其广泛，几乎所有需要存储系统运行数据的电子设备都需要使用NOR Flash。NOR Flash的广泛应用，主要得益于其可芯片内执行（XIP）的特点。如下图所示，Flash均使用浮栅场效应管作为基本单元来存储数据。在控制栅极（Word Line与场效应管连接处）未施加电压时，源极和漏极之间导通则数据为1，中断则为0。NOR Flash的连接方式为串联，读取数据不需对Word Line进行加压，直接测量对应的Bit Line和Source Line之间的通断即可获取该存储单元的数据。不仅实现了位读取，还大大提高了数据读取的速度。实现位读取，程序便可在NOR Flash上运行，即所谓的芯片内执行（XIP）。

3.NAND Flash的连接方式为串联，若要读取下图黄色Word Line（字线）的数据，需对其他所有Word Line进行增加电压，加压后漏极和源极处于导通状态。因此NAND Flash读取数据的最小单位是页（即Word Line上的所有数据），无法直接运行程序，所有数据必须先读取到RAM上后才可运行。从应用形态上看，NAND Flash的具体产品包括USB（U盘）、闪存卡、SSD（固态硬盘），以及嵌入式存储（eMMC、eMCP、UFS）等。USB属于常见的移动存储设备，闪存卡则用于常见电子设备的外设存储，如相机、行车记录仪、玩具等。

4.DRAM是动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory）的缩写，主要的作用原理是利用电容内存储电荷的多寡来代表一个二进制比特（bit）是1还是0。DRAM的特征是运算速度快，但掉电后数据会丢失，常应用于系统硬件的运行内存。DRAM用于计算机、手机的运行数据保存以及与CPU直接通讯。在计算机、服务器的应用领域，DRAM以内存模组的形式出现。内存模组由DRAM内存颗粒（即内存芯片）和内存接口芯片以及配套的印制电路板组成。在手机等移动设备领域，DRAM直接以一颗芯片的形安装在主板上。

uDRAM按照产品分类分为DDR/LPDDR/GDDR和传统型（Legacy/SDR）DRAM，相对于DDR的双倍速率（在时钟上升沿和下降沿都可以读取数据），传统的DRAM只在时钟上升沿读取数据，速度相对慢。应用领域相对较窄，是利基型的DRAM。DDR/LPDDR为DRAM的应用最广的类型，因此DRAM主要应用于计算机、服务器和移动设备上，根据Yole数据统计，两者合计占DRAM应用比例约为90%

5.SRAM即静态随机存取存储器，SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，DRAM每隔一段时间，要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失。SRAM的读写速度非常快，同时能够保证数据完整性，由于SRAM内部采用的是双稳态电路的形式来存储数据，所以SRAM的电路结构非常复杂。由于SRAM更快，功耗低，但由于其容量小，成本更加昂贵，所以一般应用于带宽要求高，功耗要求低的场景。目前SRAM基本上只用于CPU内部的一级缓存以及内置的二级缓存，比如作为微控制器的RAM或者cache（32bytes到128kb）

三、存储芯片的发展历史

存储行业兴起于1960s，是半导体行业重要的分支领域。按照产品周期存储行业的发展历程大致可分为3个阶段。1990年以前，DRAM为存储芯片市场上主要的产品，且伴随少量的EPROM和EEPROM。1990年至2000年，NOR Flash开始逐步占据一定比例的市场份额。2000年以后，NAND Flash开始爆发式增长，其市场规模直逼DRAM, 而NOR Flash的市场规模于2006年达到顶峰后开始逐渐下滑，但于近两年又开始有微小上升趋势

参照行业玩家的变化也可以划分为3个阶段，即美国→日本→韩国。

存储行业的主要玩家伴随历史发展发生了显著的变化，霸主地位由一开始的美国企业（1969-1984年）逐步转移到日本（1985-1996年），最后再转移到韩国企业（1996-现在）。目前存储行业的主要玩家包括韩国的三星、SK海力士；日本的东芝、铠侠、日立、NEC；美国的美光、英特尔、西部数据等。

四、技术发展趋势

Nor Flash

1)NOR Flash制程进展缓慢

1988年，Intel推出第一款NOR Flash商用产品，制程为1.5微米。2005年，Intel推出65nm制程产品，直到2020年，65nm依然是NOR Flash主流制程,而与NOR Flash同源的闪存产品NAND Flash早已进入10nm制程。市场高端玩家美光与cypress目前均已采用最先进的45nm制程，中低端市场主要产商兆易创新与旺宏于2019年推出55nm制程，华邦预计于2021年量产45nm制程产品。

2)SPI接口技术优化NOR Flash效率

串行外设接口(SPI)是微控制器和外围IC（如传感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等）之间使 用最广泛的接口之一。4线SPI器件有四个信号：时钟(SCLK)、片选(CS)、主机输出 (MOSI)、从机输 出(MISO)。主机送出CLK信号，主机到从机的数据在MOSI线上传输，从机到主机的数据在MISO线上 传输。与另一种同步传输协议I2C（并行存取方式)相比，序列式接口具有较多优势：其外在接脚数目更少， 降低了IC组装及封装的成本，占据了更小的印刷电路板面积并简化了绕线的复杂度；由于电路设计原 因，SPI传输速率一般在几十Mbps，I2C传输速率一般仅有400Kbps。

使用SPI接口技术的NOR Flash一般被称为Serial NOR Flash或SPI NOR Flash，使用I2C接口技术的NOR Flash一般被称为Parallel NOR Flash。目前，美光、赛普拉斯、华邦、旺宏等NOR Flash知名产商均有生产两种形式的NOR Flash，兆易创新则专注于SPI NOR Flash。

当前市场上以SPI为接口的NOR Flash产品数量较多，但根据Knowledge Sourcing Intelligence预测，并行接口的NOR Flash数量将在未来几年有所增加。

2008 年 10 月，兆易创新推出国内首款串行闪存（SPI NOR Flash）产品，并于12月开始量产。此后，公司SPI NOR Flash 产品不断更新迭代。2019年4月，兆易创新推出八通道XSPI接口技术，大幅增加了闪存数据吞吐量。2020年7月，兆易创新的GD25/55 B/T/X系列1.8V产品（即GD25/55 LB/LT/LX）全面量产，其数据吞吐量分别为90Mbps，200Mbps和400Mbps。

2.DRAM

1)DRAM制程进入1z时代

DRAM的技术发展路径是以微缩制程来提高存储密度。制程工艺进入20nm之后，制造难度大幅提升，内存芯片厂商对工艺的定义从具体的线宽转变为在具体制程范围内提升二或三代技术来提高存储密度。譬如，1X/1Y/1Z是指10nm级别第一代、第二代、第三代技术，未来还有1α/1β/1γ。

目前市场上DRAM的应用较为广泛的制程是2Xnm和1Xnm，三星、美光、海力士等巨头厂商均已开发出1Znm制程的DRAM。国产DRAM厂商合肥长鑫现已量产的DRAM为19nm制程，预计2021年可投产17nm DRAM，技术与国际先进的厂商还有较大的差距。

2)DRR系列性能持续优化

DDR是双倍速率同步动态随机存储器，在SDRAM（Synchronous DRAM）的基础上发展而来，与SDRAM相比，它可以在一个时钟读写两次数据，使得数据传输速度加倍。主要应用在个人计算机、服务器上。自2000年DDR1推出之后，20年内DDR系列已更新

到了第五代，主要发展方向为工作效率提升与工作电压降低。

3)DRR5：更高的带宽，更快的速率，更低的功耗

2018年至2020年，海力士、美光、三星先后宣布完成DDR5研发，国内产商方面，澜起科技表示将在2020年内完成DDR5研发。相比于DDR4，DDR5具有更高的带宽，更快的速率，更低的功耗。据固态技术协会（JEDEC) ，DDR5突发长度增加到BL16，存储区计数增加至32，为DDR4的两倍；最高速率可达4.8Gbps，是DDR4的150%；输入缓冲和核心逻辑的供电电压降低至1.1V。根据IDC预测，DDR5的需求将逐步增长，在DRAM市场的占有率将于2021年达到25%，在2022年进一步上升至44%。

3.NAND Flash：3D垂直堆叠技术为主要发展方向

1)NAND Flash存储密度不断增加

根据每个存储单元存储的数据数量，NAND Flash可以分为SLC、MLC、TLC、QLC。SLC（SingleLevel Cell）为每个存储单元存储的数据只有1位，即只有0/1两种状态，而MLC（Multi-Level Cell）、TLC（Triple-Level Cell）、QLC（Quad-Level Cell）每个存储单元能存储的数据分别为2位、3位与4位，可以有4种、8种与16种状态，存储空间迅速增加。

四种类型的NAND Flash性能各有不同。SLC单位容量的成本相对于其他类型NAND Flash成本更高，但其数据保留时间更长、读取速度更快；QLC拥有更大的容量和更低的成本，但由于其可靠性低、寿命短等缺点，仍有待后续发展。目前主流的解决方案为MLC与TLC 。

2)3D NAND成为主流方向

以往的闪存多为平面闪存，也即2D NAND，3D NAND是立体结构的闪存。3D NAND使用多层垂直堆叠技 术，相比较于2D NAND，拥有更大的容量、更低的功耗、更好的耐用性以及更低的成本等优点。具体 来说，3D NAND成本大约为2D NAND的3倍，64层3D NAND容量大约为2D NAND的三倍，随着3D NAND层数 增加，规模经济优势将逐渐凸显。此外，相关测试显示与2D NAND相比，3D NAND能够节省约50%能耗。

目前2D NAND使用的制程工艺为14/15nm，3D NAND大多为20nm级别。同DRAM 一样，NAND Flash 同样采取 1X nm/1Y nm/1Z nm 进行工艺技术的度量。不同之处在于，由于物理结构上 NAND 不需要制作电容器，自2015年制程推进遇到障碍时，制程工艺相对简单的3D堆叠 技术成为新的发展方向。根据Yole，全球 3D NAND Flash 的产量已于2017年4季度超过2D。目前3D技 术正在稳步推进中，未来的发展方向就是层数的继续堆叠。

目前，全球能够实现量产3D NAND的公司只有三星、美光、英特尔、海力士、长江存储等10几家厂商。根据TechInsights，截止2019年末，美光、海力士、三星、西部数据等国际大厂均已成功研发100+层 的3D NAND。2020年4月，长江存储也宣布成功研发128层3D NAND。

4.新型存储：打破内外存储边界

1)新型存储有望突破内存、外存间 “存储墙”

当前主流的计算系统都采用冯诺依曼架构，其特点在于程序存储于存储器中，与运算控制单元相分离。为了满足速度和容量的需求，现代计算系统通常采取高速缓存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存储(NAND Flash)的三级存储结构。SRAM响应时间通常在纳秒级，DRAM则一般为100纳秒量级，NAND Flash更是高达 100微秒级，当数据在这三级存储间传输时，响应时间的差异形成“存储墙”。

DRAM和NAND Flash受限于本身物理特性，难以突破“存储墙”。新型存储的特殊材料和结构使 其同时具备DRAM的读写速率与寿命以及NAND Flash的非易失特性，理论上可以简化存储架构将当前的内存和外存合并为持久内存，从而有望消除或缩小内存与外存间的“存储墙”。目前较为流行的新型存储有4种：PCM、FRAM、MRAM、ReRAM。

2)PCM：高密度、低功耗的非易失存储

相变位存储器(PCM: Phase-change memory)，是一种非易失性存储器设备。其材料为硫族化物的玻璃。硫属玻璃经加热可以改变状态，成为晶体或非晶体，这些不同状态具有不同的电阻特性和光学特性， PCM借此存储不同的数值。PCM具有工艺尺寸小、存储密度高、读写速度快、功耗低、可拓展性强等优 点。

由于PCM必须逐层构建，且每一层都必须采用关键的光刻和蚀刻步骤，导致成本与层数等比例增加， 因此其不具备垂直3D NAND的制造技术所能达到的规模效益。2015年，Intel与Micron推出3D Xpoint存储器，旨在作为计算系统中DRAM与NAND闪存SSD之间的新增 存储器层。3D Xpoint存储器使用相变材料，其存储量接近NAND，速度与DRAM相近，成本介于NAND和 DRAM之间。

在3D Xpoint基础上，Intel与美光分别推出自己的产品。Intel傲腾系列产品都是基于3D Xpoint，包 括傲腾固态盘系列与傲腾内存系列，其中，傲腾固态盘用于标准 NAND 封装模型中的快速存储，内存 产品则在DRAM总线上运行；美光在2019年推出X100 SSD，其每秒读写次数最高为250万，连续传输的 性能约为10GB/s，两项性能均创造了单块SSD的新记录。

3)FRAM:读写耐久的随机存储

铁电存储器（FERAM），是一种随机存取存储器,与DRAM类似，但其使用铁电层而非介电层来实现它的非 易失性。FRAM的电压、电流关系具有可用于存储位的特征滞后回路。正电流使位单元处于具有正偏置的 状态，而负电流将该位单元的状态改变为负偏置。

电铁存取器的缺点是，它的读取是破坏性的，每次读取后必须通过后续写入来抵消，以将该位的内容恢 复到其原始状态。它的优点是具有独特的低写入耗电性能以及写入耐久性，FeRAM在+85°C下的数据保留时间超过10年（在较低温度下长达数十年）。富士通正在开发FRAM并竭力推广商业化进程。

4)MRAM：高速长寿的非易失存储

磁性存储器 (MRAM）是一种非易失性存储。共有三层，上下两层是磁性隧道结，中间为晶体管。当最上层磁性方向与最下层方向一致时，MTJ具有低电阻；当最上层磁性方向与最下层方向相反时，MTJ具有高电阻。写入数据时，通过严格控制电流，改变最上面一层磁场方向进而改变晶体管电阻值。

所有新型存储介质中，MRAM是唯一一个速度可与DRAM媲美的存储器。此外，MRAM具有较长的寿命，其 组成的固件就无需像基于闪存的SSD固件做磨损均衡。

目前Everspin已经有产品应用于航空航天等特定领域，并于2019年开始与格芯合作，试生产28nm制程 的1Gb STT-MRAM产品。

5)ReRAM：高速非易失存储

阻变存储器 (ReRAM)是一种非易失性存储器。采用两端加了电压，电阻会发生变化的材料，目前主要 是过渡金属氧化物。过渡金属氧化物的薄膜是绝缘体，其电阻值在电场作用下会发生可逆变化。即，当电场超过临界值时介电层会发生崩溃现象，使介电层从高阻值转为低阻值阻变存储器。依据电阻器 处于高电阻或低电阻状态以表示“1”或“0”。

与PCM相比，ReRAM的运行时间更快，与MRAM相比，ReRAM具有更简单，更小的单元结构。Crossbar正致力于其产业化进程，富士通和松下正在联合加大投入开发第二代 ReRAM 器件。

编辑：黄飞