非易失半导体存储器技术发展状况浅析

傅耀威，丁莹，薛堪豪，安萌，刘庭煜

（1.科学技术部高技术研究发展中心；2.华中科技大学；3.北京高国科技术有限责任公司；4.东南大学）

存储器作为信息存储的核心载体，在集成电路细分市场中规模居首，其安全性也受到高度重视。存储器种类众多，而非易失半导体存储器目前发展最快，若干新型存储器已经进入或者即将进入产业化阶段。本文在对非易失半导体存储器技术国内外发展现状与趋势进行梳理的基础上，研究提出了我国该领域发展的对策建议。

一、关于非易失半导体存储器

半导体随机存储器（RAM）根据断电以后是否能保留数据，分为易失性和非易失性两种。其中作为计算机处理器高速缓冲的静态随机存储器（SRAM），以及作为内存的动态随机存储器（DRAM）是两种最常见的易失性存储器；而非易失半导体存储器则是指在断电情况下，数据可稳定保留十年以上的RAM，它兼顾了读写速度以及数据保持能力两方面，因此被广泛应用，是当前半导体存储器技术发展的热点。根据用途、原理，半导体存储器的基本分类情况如图1所示。

二、世界非易失半导体存储器发展现状与趋势

目前主要的非易失性存储器是闪存（FLASH）,包括NAND和NOR两种架构。其中，三维堆叠的NAND闪存（3D NAND）是当前市场上最主流的产品；另一方面，相变存储器、阻变存储器、基于自旋转移矩的磁阻存储器（STTMRAM）、铪基铁电存储器等新技术也在快速发展。

图1 半导体存储器基本分类

（一）闪存

用户对海量数据存储的需求，使得成本低廉且集成密度超高的NAND闪存，成为了市场上最主流的非易失半导体存储器。据美国市场研究机构Gartner统计，2019年全球存储器销售额约为1117亿美元，其中NAND闪存接近500亿美元。全球NAND闪存市场份额最高的六家公司是：韩国三星（Samsung，36%）、日本东芝（Toshiba，19%）、美国西部数据（Western Digital，15%）、美国镁光（Micron，13%）、韩国海力士（SK Hynix，11%）与美国英特尔（Intel，6%）。我国NAND闪存市场曾长期被国际几大巨头垄断，但近年来通过长江存储为代表的公司进行发力，在3D NAND领域逐渐接近国际先进水平，部分实现了国产替代。

（二）相变存储器

相变存储器（PCM）利用材料晶体和非晶体之间电阻率的差别实现数据存储，源于20世纪60年代提出的奥弗辛斯基效应。2015年英特尔与镁光共同提出了一种新型的3D X-Point存储器技术。采用这种技术的固态硬盘称为傲腾，读写速度介于DRAM和闪存之间，可缓解计算机内存与硬盘之间读写速度不匹配的问题，是一种全新的架构思想。尽管该技术的具体细节不详，但英特尔和镁光成立的合资公司IM Flash的首席执行官之一Blalock透露，3D X-Point使用了相变材料与奥弗辛斯基效应。3D X-Point的面世也引起了相变存储器的研发热潮。

当前国内相变存储器产业化走在前列的有中国科学院上海微系统与信息技术研究所和华中科技大学有关团队。

（三）阻变存储器

阻变存储器（RRAM）是刚刚进入产业化阶段的新型非易失存储器，它主要利用在绝缘材料中产生和擦断导电细丝来实现阻值的差别存储数据。它的研发始于2000年，主要包括二元氧化物阻变存储器（OxRAM），以及基于电化学金属化的导电桥存储器（CBRAM）。2008年惠普公司提出了忆阻器的概念，而阻变存储器是最典型的一类忆阻器，从而激发了国际范围内的研究热潮。

A d e s t o 公司很早就推出了商业化的C B R A M。富士通（Fujitsu）公司于2016年推出了4Mb的RRAM产品MB85AS4MT。索尼（Sony）公司有意研发128GB和256GB的RRAM固态硬盘，并认为此技术将比NAND闪存更便宜，速度更快且功耗更低。台积电（TSMC）、中芯国际、三星等公司也都具备生产RRAM的能力。

国内方面，2018年兆易创新和美国Rambus公司宣布合作建立合资企业合肥睿科（Reliance Memory），进行RRAM技术的商业化。睿科以及美国Crossbar公司均使用中芯国际的40 nm工艺研发RRAM。

（四）磁阻存储器

基于磁性隧道结和巨磁电阻效应的磁阻随机存储器（MRAM）发展已有很长的历史，但近年来基于自旋矩转移的STT-MRAM成为了主流。MRAM可以用于替代DRAM或者SRAM，使其在断电情况下也能保存数据，MRAM在读写速度与耐久度方面有明显的优势，但成本较高。

美国Everspin公司于2018年发布了1GB容量的商用STT-MRAM芯片。韩国三星公司已在28纳米FDSOI工艺的生产线大规模生产嵌入式MRAM(eMRAM)。中国科学院物理研究所团队则研制了一种磁矩闭合型纳米环状磁性隧道结，作为存储单元的新型MRAM原型器件。

除以上几类新型非易失存储器外，还有一些新技术处于萌芽阶段，例如基于新型铪基铁电材料的铁电存储器（FeRAM），以及铁电场效应管等。非易失存储器技术发展呈现出了以NAND闪存为主导，诸多新型存储器角逐未来的局面。

在大数据的时代，用户对存储器的需求不断提升，容量更高，速度更快，功耗更低，具有良好的非易失性是存储器始终的追求。现阶段通过继续缩小工艺线宽，以及引入三维集成的手段，NAND存储器的集成密度取得了很大的提高，未来可望实现256层甚至512层的三维堆叠，在存储密度方面一枝独秀。图2展示了NAND与几类新型非易失存储器的指标对比，其中NAND在成本和集成密度两个最重要的指标上具有压倒性的优势，虽然擦写速度和耐久度方面相对较弱，但仍可满足当前消费电子领域的大部分需求；MRAM在速度与耐久度方面可望与DRAM相媲美，适用于高性能服务器；PCM、RRAM以及铪基FeRAM的各项指标较为均衡。

图2 几类非易失性存储器各项指标综合对比图

三、我国非易失半导体存储器发展的对策建议

总体来看，当前市场对于非易失半导体存储器的性能需求高于现有主流技术，这对于我国相关技术与产业发展来讲既是机遇也是挑战。新技术的成熟则可能导致市场洗牌，这就要求我们在关注当前主流技术的同时，必须着眼于未来，加快技术储备。

为进一步有效促进我国非易失半导体存储器技术和产业发展，提出以下对策建议。

一是立足自主创新，紧跟世界前沿。作为后进者，中国存储产业的发展，特别是在初期阶段，需要在政府的支持和引导下，充分发挥企业的作用，加紧对于新一代非易失半导体存储器技术与器件的研发，加快提升设计能力及产业规模，尽快赶上世界先进水平。

二是加强对非易失半导体存储器行业的市场分析。在我国将发展存储器产业作为国家战略的大背景下，考虑到非易失半导体存储器产业本身的周期波动和不确定性，以及长期大投入、高风险的特性，应当重视对其的市场分析，并完善行业定期监测分析和预警机制。