中國半導(dǎo)體存儲行業(yè)未來50年發(fā)展路線圖

　　存儲器產(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年第事季度起存儲器行業(yè)的產(chǎn)品價格出現(xiàn)了回升，但是行業(yè)整體仌然處二周期性底部的位置，市場主要廠商三星、海力士、美先等在資本開支產(chǎn)能擴張方面仌然較為謹慎，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市場均有逐步仍供過二求向供給丌足轉(zhuǎn)秱的趨勢，而在這種行業(yè)周期性底部有轉(zhuǎn)發(fā)趨勢的情冴下，中國大陸地匙的逆周期投資有望推勱國內(nèi)廠商成為市場內(nèi)崛起的新生力量。

　一、存儲器是系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)部件

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

　　(一)存儲器的發(fā)展伴隨著電子計算機的歷程

　　存儲器的發(fā)展幾乎是伴隨著電子計算機的發(fā)展歷程而來的。在發(fā)展之初，采用汞線延遲線來進行信息的存儲和讀寫，之后采用磁性材料，再到光學材料等存儲器設(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器IC芯片獲得了廣泛的采用。隨著在存儲介質(zhì)的演進，設(shè)計架構(gòu)的更新和工藝水平的提高，IC存儲器在存儲密度、讀寫速度等性能持續(xù)提高，同時能耗、單位存儲單元成本持續(xù)降低，IC存儲器的發(fā)展也充分享受摩爾定理集成電路演進歷程。

　　圖1：存儲器的収展歷秳

　　縱觀整個發(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)演進使其成為了目前包括PC、服務(wù)器、手機、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)存儲器的主流。上述兩項技術(shù)的提出對于現(xiàn)代的半導(dǎo)體集成電路存儲器產(chǎn)業(yè)形成了深遠的影響。

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

　　從上述的研究我們可以看到，存儲器經(jīng)歷了與電子計算機幾乎一樣長的發(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。存儲器的分類方式很多，按照存儲介質(zhì)分類來說，通?？梢苑譃榘雽?dǎo)體IC存儲器、磁性存儲器和光存儲器等，在本報告中，我們聚焦在半導(dǎo)體IC存儲器，關(guān)注存儲器芯片行業(yè)。

　　半導(dǎo)體存儲器按照斷電后數(shù)據(jù)信息是否能夠保留可以分為兩個大類，易失性存儲器和非易失性存儲器，前者在外部電源切斷后，存儲器內(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的內(nèi)容，代表產(chǎn)品是FlashMemory。

　　圖2：半導(dǎo)體存儲器的分類

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

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

　　(三)未來存儲器芯片的方向：相變存儲器(PCM)

　　傳統(tǒng)的半導(dǎo)體集成電路存儲器無論是DRAM還是Flash，其基本原理均是通過對于電荷的多寡形成的電勢高低來進行“0”和“1”的判斷，進而實現(xiàn)信息的存儲。產(chǎn)業(yè)對于存儲器結(jié)構(gòu)和原理的研究始終沒有停歇，近期，各研究機構(gòu)及資本市場熱點關(guān)注相變化存儲器(PhaseChange Memory，簡稱PCM)。該存儲器非易失真原理與Flash的浮動柵鎖住電荷原理不同，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的數(shù)據(jù)。

　　如圖所示，施加強電流并快速淬火，使硫系化合物溫度升高到熔化溫度以上，經(jīng)快速冷卻，可以使多晶的長程有序遭到破壞，實現(xiàn)晶體向非晶體的轉(zhuǎn)換，通常用時不到100ns;施加中等強度的電流，硫系化合物的溫度升高到結(jié)晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時間，實現(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)而不需要單獨進行擦除步驟，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的浮動柵存儲結(jié)構(gòu)尺寸難以縮減，這是因為浮動柵級的厚度是一定的，而PCM不需要存儲電子元件，因此它沒有電子元件存儲的擴展問題，盡管同樣采用了半導(dǎo)體平面化工藝來實現(xiàn)器件的生產(chǎn)加工，PCM的存儲密度可以做得更大。

　　表1：存儲器產(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器，而與NANDFlash相比，PCM則在讀寫速度和可靠性方面具有優(yōu)勢，并且有很小的理論工藝制程可以做到更高的存儲密度。隨著PCM的技術(shù)進步帶來單位成本的下降，與DRAM和Flash產(chǎn)品可以形成優(yōu)勢互補，甚至做到超越，目前PCM已經(jīng)被部分廠商應(yīng)用于實際的產(chǎn)品中，是一項具備未來發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。