中國半導(dǎo)體存儲(chǔ)行業(yè)未來50年發(fā)展路線圖

　　存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)芯片國產(chǎn)化之路邁出的重要一步：芯片國產(chǎn)化是中國政府在信息安全自主可控政策領(lǐng)域的實(shí)踐領(lǐng)域之一，作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，半導(dǎo)體集成電路持續(xù)叐到國家政策的扶持，近期仍國家層面到地方層面的政策及資本的持續(xù)也是持續(xù)不斷。

　　全球產(chǎn)業(yè)處于周期性底部有利于新生力量的崛起：盡管仍2016年第事季度起存儲(chǔ)器行業(yè)的產(chǎn)品價(jià)格出現(xiàn)了回升，但是行業(yè)整體仌然處二周期性底部的位置，市場(chǎng)主要廠商三星、海力士、美先等在資本開支產(chǎn)能擴(kuò)張方面仌然較為謹(jǐn)慎，而我們訃為在智能秱勱終端需求、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器需求以及固態(tài)影片需求帶勱的情冴，DRAM和NAND Flash市場(chǎng)均有逐步仍供過二求向供給丌足轉(zhuǎn)秱的趨勢(shì)，而在這種行業(yè)周期性底部有轉(zhuǎn)發(fā)趨勢(shì)的情冴下，中國大陸地匙的逆周期投資有望推勱國內(nèi)廠商成為市場(chǎng)內(nèi)崛起的新生力量。

　一、存儲(chǔ)器是系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)部件

　　存儲(chǔ)器(Memory)，顧名思義是在電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存放信息的器件。任何電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、程序本身、中間運(yùn)行結(jié)果和最終運(yùn)行結(jié)果都需要保存在存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器是電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心部件之一，是系統(tǒng)正常運(yùn)作的保障。

　　(一)存儲(chǔ)器的發(fā)展伴隨著電子計(jì)算機(jī)的歷程

　　存儲(chǔ)器的發(fā)展幾乎是伴隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程而來的。在發(fā)展之初，采用汞線延遲線來進(jìn)行信息的存儲(chǔ)和讀寫，之后采用磁性材料，再到光學(xué)材料等存儲(chǔ)器設(shè)備，盡管獲得了較大的改善，但是仍然面臨體積龐大、性能有限的挑戰(zhàn)，對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展造成了不小的阻礙。

　　得益于集成電路技術(shù)的發(fā)展與成熟，采用半導(dǎo)體集成電路方式制造的存儲(chǔ)器IC芯片獲得了廣泛的采用。隨著在存儲(chǔ)介質(zhì)的演進(jìn)，設(shè)計(jì)架構(gòu)的更新和工藝水平的提高，IC存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)密度、讀寫速度等性能持續(xù)提高，同時(shí)能耗、單位存儲(chǔ)單元成本持續(xù)降低，IC存儲(chǔ)器的發(fā)展也充分享受摩爾定理集成電路演進(jìn)歷程。

　　圖1：存儲(chǔ)器的収展歷秳

　　縱觀整個(gè)發(fā)展歷程我們看到，1967年科技巨頭IBM提出DRAM規(guī)格以及之后的持續(xù)演進(jìn)使其成為了目前包括PC、服務(wù)器、手機(jī)、車載等終端產(chǎn)品內(nèi)存行業(yè)的主要技術(shù)。1984年舛岡富士雄博士提出了Flash Memory技術(shù)以及之后演進(jìn)中Intel提出的NOR和東芝提出的NAND架構(gòu)形成了目前外設(shè)存儲(chǔ)器的主流。上述兩項(xiàng)技術(shù)的提出對(duì)于現(xiàn)代的半導(dǎo)體集成電路存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)形成了深遠(yuǎn)的影響。

　　(二)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的核心分類：DRAM和Flash Memory

　　從上述的研究我們可以看到，存儲(chǔ)器經(jīng)歷了與電子計(jì)算機(jī)幾乎一樣長(zhǎng)的發(fā)展歷程，包括磁盤、光盤、IC工藝材料等不同產(chǎn)品已經(jīng)形成了在不同應(yīng)用領(lǐng)域中成熟有效的應(yīng)用分工。存儲(chǔ)器的分類方式很多，按照存儲(chǔ)介質(zhì)分類來說，通?？梢苑譃榘雽?dǎo)體IC存儲(chǔ)器、磁性存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器等，在本報(bào)告中，我們聚焦在半導(dǎo)體IC存儲(chǔ)器，關(guān)注存儲(chǔ)器芯片行業(yè)。

　　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器按照斷電后數(shù)據(jù)信息是否能夠保留可以分為兩個(gè)大類，易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器，前者在外部電源切斷后，存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)也隨之消失，代表產(chǎn)品是DRAM，而后者則能夠保持所存儲(chǔ)的內(nèi)容，代表產(chǎn)品是FlashMemory。

　　圖2：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類

　　DRAM作為易失性存儲(chǔ)器產(chǎn)品的代表，主要用于各類PC、服務(wù)器、工作站的內(nèi)部存儲(chǔ)單元，憑借其在存取速度和存取容量方面的折衷性能，實(shí)現(xiàn)在核心處理器和外部存儲(chǔ)器之間形成緩存空間。隨著移動(dòng)終端的迅速發(fā)展，DRAM在智能手機(jī)中的應(yīng)用規(guī)模也在持續(xù)加大。

　　Flash Memory作為非易失性存儲(chǔ)器的代表，主要應(yīng)用于存儲(chǔ)卡、U盤、SSD固態(tài)硬盤、移動(dòng)終端的內(nèi)部嵌入式存儲(chǔ)器等，其可快速讀寫不丟失以及可集成的特性，使得其在移動(dòng)終端及便攜式移動(dòng)存儲(chǔ)器產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　(三)未來存儲(chǔ)器芯片的方向：相變存儲(chǔ)器(PCM)

　　傳統(tǒng)的半導(dǎo)體集成電路存儲(chǔ)器無論是DRAM還是Flash，其基本原理均是通過對(duì)于電荷的多寡形成的電勢(shì)高低來進(jìn)行“0”和“1”的判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。產(chǎn)業(yè)對(duì)于存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和原理的研究始終沒有停歇，近期，各研究機(jī)構(gòu)及資本市場(chǎng)熱點(diǎn)關(guān)注相變化存儲(chǔ)器(PhaseChange Memory，簡(jiǎn)稱PCM)。該存儲(chǔ)器非易失真原理與Flash的浮動(dòng)?xùn)沛i住電荷原理不同，是通過施加特定電流使硫族化物玻璃(目前多數(shù)為GeSbTe合金)在晶態(tài)和非晶態(tài)兩相之間改變，由于晶態(tài)和非晶態(tài)的電阻特性不同，電路通過讀取不同電阻值來獲取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

　　如圖所示，施加強(qiáng)電流并快速淬火，使硫系化合物溫度升高到熔化溫度以上，經(jīng)快速冷卻，可以使多晶的長(zhǎng)程有序遭到破壞，實(shí)現(xiàn)晶體向非晶體的轉(zhuǎn)換，通常用時(shí)不到100ns;施加中等強(qiáng)度的電流，硫系化合物的溫度升高到結(jié)晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)晶體向非晶體的轉(zhuǎn)換。

　　圖3：晶體不非晶體相于轉(zhuǎn)換

　　圖4：GeSbTe加熱原理

　　PCM可以直接改變操作位的數(shù)據(jù)而不需要單獨(dú)進(jìn)行擦除步驟，減少了寫操作的開銷，并且直接讀取電阻值判斷大小，有效提高讀取速度。由于Flash的浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸難以縮減，這是因?yàn)楦?dòng)?xùn)偶?jí)的厚度是一定的，而PCM不需要存儲(chǔ)電子元件，因此它沒有電子元件存儲(chǔ)的擴(kuò)展問題，盡管同樣采用了半導(dǎo)體平面化工藝來實(shí)現(xiàn)器件的生產(chǎn)加工，PCM的存儲(chǔ)密度可以做得更大。

　　表1：存儲(chǔ)器產(chǎn)品類型的特性比較

　　上表中可以看出與DRAM相比，盡管讀寫速度略低，但是PCM是一種非易失性的存儲(chǔ)器，而與NANDFlash相比，PCM則在讀寫速度和可靠性方面具有優(yōu)勢(shì)，并且有很小的理論工藝制程可以做到更高的存儲(chǔ)密度。隨著PCM的技術(shù)進(jìn)步帶來單位成本的下降，與DRAM和Flash產(chǎn)品可以形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，甚至做到超越，目前PCM已經(jīng)被部分廠商應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)品中，是一項(xiàng)具備未來發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。