存储器行业专题研究：双墙阻碍算力升级，探讨四大新型存储应用

传统存储难破双墙阻碍，智联时代新型存储应运而生。AIoT、5G、智能汽车等新兴应用场景对数据存储在容量、速度、功耗、成本、可靠性等层面提出更高要求。但CPU与存储芯片间的“性能墙”与各级存储芯片间的“存储墙”成为限制传统存储器应用于新兴领域的两座难关。基于材料介质改造或技术升级的PCRAM、MRAM、ReRAM和FeRAM四大类新型存储，或将成为未来存储器的发展趋势之一。 模糊外存和主存界限，PCRAM产业化面临障碍。PCRAM（相变存储器）通过改变温度实现相变材料电阻变化，以此为基础存储数据信息。PCRAM目前无物理极限，厚度 2nm 的相变材料可以实现存储功能，因此可能解决存储器工艺的物理极限问题，成为未来通用的新一代半导体存储器件之一。国际厂商英特尔先后与三星、美光合作开展PCRAM研发，国内厂商时代全芯也已掌握研发、生产工艺和自主知识产权。但PCRMA对温度的高敏感度、存储密度过低、高成本、低良率等问题限制其大规模产业化，2021年美光宣布停止基于3D XPoint技术产品的进一步开发。 MRAM产品进入量产，eMRAM替代SRAM空间大。MRAM（磁存储器）的基本单位为磁隧道结（MTJ），Everspin为独立式MRAM龙头，IBM、三星、瑞萨走在嵌入式MRAM技术前沿。其中，独立式MRAM目前已经应用于航空、航天、军工等对可靠性要求较高的领域，但市场规模较小。嵌入式MRAM已成功进入MCU嵌入式系统，并逐步替代慢速SRAM成为工作缓存新方案，应用于相机CMOS等。未来嵌入式MRAM更具成长空间，提速降价后有望替代SRAM或eDRAM等高速缓存，进入手机SoC和CPU等产品。 ReRAM有望替代eFlash，成长空间广阔。ReRAM（可变电阻式存储器）以基本单位电阻变化存储数据。DataBridge测算2022年全球ReRAM市场规模为6.07亿美元，预计2030年有望达到21.60亿美元。松下、富士通等为ReRAM产品主要设计厂商，国内兆易创新与昕原半导体也基本实现商业化。 其中，独立式ReRAM目前在工业级小容量存储得到广泛应用，并在IoT领域逐步替代NOR FLASH，突破容量和读写速度后有望替代闪存进入企业级存储市场。嵌入式ReRAM目前已替代eFLash可用于模拟芯片内，进一步有望进入MCU芯片等，技术长足发展后有望进入CPU作为最后一级高速缓存。 FeRAM研发正当时，多种优势突破传统存储限制。FeRAM具有非易失性、读写速度快、寿命长、功耗低、可靠性高等特点。小部分FeRAM产品已实现量产。但FeRAM存储密度较低，容量有限，无法完全取代DRAM与NAND Flash，在对容量要求不高、读写速度要求高、读写频率高、使用寿命要求长的场景中拥有发展潜力。国际厂商英飞凌、富士通等已实现FeRAM在汽车电子的应用，国内厂商汇峰已实现 130nm 制程FeRAM产品小批量量产。目前FeRAM技术瓶颈尚在，仍需继续研究突破。 四种新型存储优势各异。持久性方面，MRAM、FeRAM较高；存储密度方面，FeRAM较低，MRAM、PCM、RRAM较高；读写速度方面，FeRAM最快；读写功耗方面，PCM最高，MRAM、FeRAM、RRAM均较低；抗辐射方面，除MRAM外，其他均较高。 风险提示：技术进展不及预期的风险/市场规模增速不及预期的风险 1传统存储难破双墙阻碍，智联时代助推新型存储 存储技术伴随应用场景变化，新兴领域催生更高需求。存储行业兴起于1960s，现被广泛应用于各种领域的电子设备。据WSTS数据，2022年存储器市场规模1297.7亿美元，占全球半导体行业规模的22.6%，是半导体产业的重要分支。 WSTS预计2023年存储市场规模因终端市场需求疲软将下滑至840.4亿美元，但2024年受益于经济复苏和供需矛盾缓和，市场规模将同比上升43%，恢复至1203.3亿美元。 图1：存储器市场规模及在半导体行业占比 存储器技术演变路径跟随应用场景变化逐步发展： 上世纪70年代，Intel推出第一款DRAM商用芯片，由于其具有读写速度快、存储密度大、成本低等优势成为存储芯片市场上的主要产品； 1980s，东芝提出了“闪存”概念，指可在断电情况下保留数据的非易失性存储器件。此后，读取速度快、容量小、成本高的NOR Flash技术与容量较大，改写速度快的NAND Flash结构相继于1988年、1989年被intel、东芝开发出来。至此，闪存技术开始逐渐普及，成为现代电子产品中不可或缺的重要组成部分； 1990s-2000s，随着进入小容量存储的功能手机时代，NOR Flash由于具有可在闪存内直接运行应用程序的特点，有读写速度快、可靠性高、使用寿命长、传输效率高等优点，导致其应用在小容量存储中具有很高的成本效益，市场规模陡增； 2000s以后，伴随智能终端的兴起，容量成为存储的主要需求之一。此时，具有高存储密度、单位容量成本低等特点的NAND Flash逐步成为市场的最佳选择。 现在，随着AIoT、5G、智能汽车等新兴应用场景出现，存储行业的市场需求进一步增加，对数据存储在容量、速度、功耗、成本、可靠性等层面提出更高要求。 图2：存储行业演变历程 “性能墙”与“存储墙”成为限制传统存储器应用于新兴领域的两座难关。 “性能墙”源于处理器与存储器发展失衡。随着半导体产业的发展，处理器和存储器分别走向了不同工艺路线。由于二者工艺、封装、需求的不同，从1980年到2000年，处理器性能的年增长速度约为60％，而存储器性能每年提高的幅度低于10％，导致“存-算“的失配速度以每年50%的速率增加。因此，处理器和存储器之间出现数据交换通路狭窄现象，及由此引发的高能耗问题，二者成为存储与运算间的“性能墙”。 图3：处理器和存储器的性能差距 “存储墙”来源于计算架构中多级存储的特性差异。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。由于各级存储的应用特性不同，三级架构间均存在较大的响应时间及传输带宽差距，形成了制约系统性能的“存储墙”。其中，靠近运算控制单元的存储器需要响应速度更快，但受到功耗、散热等因素制约，其存储容量也越小，例如SRAM响应时间在纳秒级，NAND Flash则仅为100微秒级，但后者的存储容量较大，造价低廉，且具备非易失的低功耗特性，适用于长期存储海量信息。随着新兴应用下处理器的速度和核数持续增加，“存储墙”成为制约处理器性能发挥的主要因素之一。 图4：常见的存储系统架构及存储墙 受益于万物智联时代的新兴应用发展，由于传统存储器存在“性能墙”和“存储墙”问题，新型存储器的研发和产业化逐渐进入历史舞台。基于材料介质改造或技术升级，出现PCRAM、MRAM、ReRAM和FeRAM四大类型的新型存储，我们将于下文中逐一探讨。 1.1模糊外存和主存界限，PCRAM产业化面临障碍 以相变材料为存储介质的新型存储——PCRAM。PCRAM（相变存储器）的原理是通过改变温度，让相变材料在结晶态（导电）与非结晶态（非导电）状态间相互转换，并利用两个状态的导电性差异来区分“0”态和“1”态，从而实现数据存储。PCRAM具有外存NAND Flash的非易失性，以及主存DRAM高读写速度和长寿命的特点，同时兼具低延时、密度高、功耗低、可兼容CMOS工艺等优点，具有将外存和主存合二为一的可能性，未来有希望应用于高性能数据中心、服务器、物联网等场景。 此外，目前PCRAM还未发现有明确的物理极限，研究表明即使相变材料降至 2nm 厚度，存储器件依旧可以发生相变。因此，PCRAM可能解决存储器工艺的物理极限问题，成为未来通用的新一代半导体存储器件之一。 图5：PCRAM结构图（左图）和工作时电阻-电压曲线（右图） PCRAM在1968年被提出，现代半导体工艺技术助力发展。在1968年，Stanford Ovshinsky首次提出了基于相变理论的存储器，阐述了非晶体和晶体状态下，材料会呈现不同的光学和电阻特性，可用于代表“0”和“1”来存储数据。 但由于过去半导体工艺的限制，造成相变单元所需驱动电流过大，导致早期的相变存储器没有赢得太多青睐。而后，得益于半导体加工工艺的进步，使具有较小的驱动电流器件成为可能，迎来了PCRAM的发展契机。 PCRAM作为新型存储产业化的先行者，国内外厂商争相布局。2006年，Intel和Samsung生产第一款商用PCRAM芯片。2015年，Intel和Micron合作开发名为3D XPoint的PCRAM存储技术。2019年8月，时代全芯发布国内首款PCRAM产品——2兆位可编程只读相变存储器，成为继Micron、Samsung后少数掌握相变存储器研发、生产工艺和自主知识产权的公司。 图6：PCRAM的技术布局 然而，2018年Intel和Micron结束了3D XPoint的联合开发工作，此后Micron于2021年宣布停止基于3D XPoint技术产品的进一步开发。至此，PCRAM的产业化陷入困境。 PCRAM现阶段具有较多应用瓶颈，致使商业化停滞。首先，由于PCRAM存储过程依赖温度调节，具有对温度的高敏感度，导致其无法应用于宽温场景。其次，PCRAM存储器采取多层结构，以具备兼容CMOS工艺的特点，致使存储密度过低，无法满足替代NAND Flash的容量条件。此外，成本和良率也成为其大规模产业化的瓶颈之一。 1.2M RAM产品进入量产，eMRAM替代SRAM空间大 磁存储器（MRAM）的基本单位为磁隧道结（MTJ）。MTJ由一对被薄绝缘材料层隔开的铁磁金属板组成，其中一块金属板（固定层）的磁场方向永不变化，另一块板（自由层）的磁场方向可以因外部磁场的改变而改变。MTJ通过电阻大小表示数据，由于隧道磁阻效应，如果两个板具有相同的磁化方向（低电阻状态），则将其视为“1”，而如果方向反平行（高电阻状态），则表示“0”。但传统MRAM单纯用奥斯特场对普通的MTJ进行状态切换，存在严重的不稳定性和严苛的应用条件。 图7：磁隧道结工作原理 MRAM于1984年发明，后经不断改进。1984年，供职于霍尼韦尔的Arthur Pohm与James Daughton发明了首个磁存储器。由于对环境条件敏感等问题，对MRAM的改进从未停止。1996年10月，Berger和Slonczewski不约而同地提出了STT-MRAM方案。2000年Spintec实验室获得首个STT-MRAM专利。 STT-MRAM（自旋扭矩转递）为当前主流商业化方案。自2000年Spintec实验室获得首个STT技术专利开始，STT-MRAM凭借更快的读写速度与更小的尺度逐渐成为主流商业化方案。2005年11月，瑞萨科技与Grandis合作开发 工艺的STT-MRAM。2005年12月，索尼推出首款实验室STT-MRAM产品。2008年11月，三星与海力士宣布合作开发STT-MRAM。2012年11月，Everspin首次推出64Mb容量的独立式STT-MRAM产品。2019年3月，三星28nm 工艺的嵌入式STT-MRAM产品开始量产。 65nm Everspin为独立式MRAM龙头，IBM、三星、瑞萨走在嵌入式MRAM技术前沿。独立式MRAM产品主要替代闪存等作为外部存储，与闪存相比MRAM具有读写速度更快等优势。独立式MRAM市场由于容量和价格等原因，目前规模较小，属于利基型市场。Everspin公司2008年剥离自飞思卡尔公司，专注于MRAM产品开发，目前为独立式MRAM产品主要供货商。2019年1月，Everspin公司推出基于 28nm 工艺容量为1Gb的STT-MRAM产品，为目前最成熟、容量最大的独立式MRAM量产产品。嵌入式MRAM（eMRAM）主要替代SRAM应用于嵌入式系统中，可避免因电源故障等导致的内存丢失问题。嵌入式MRAM目前受到各大厂商关注，2020年12月IB