隨著人工智能、邊緣計(jì)算等迅速發(fā)展，存儲(chǔ)器需求迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。據(jù)WSTS數(shù)據(jù)顯示，2024年全球存儲(chǔ)器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)1670億美元，同比增長(zhǎng)81%。但由于EUV等關(guān)鍵設(shè)備受美出口管制約束，我國(guó)DRAM和NAND Flash等主流存儲(chǔ)器在先進(jìn)工藝技術(shù)代上的研發(fā)面臨巨大阻礙。在此背景下，PCM、RRAM、MRAM、FRAM等新興存儲(chǔ)器因具備高速讀寫(xiě)、高耐用性、高能效等技術(shù)優(yōu)勢(shì)引發(fā)高度關(guān)注，未來(lái)有機(jī)會(huì)應(yīng)用于更多領(lǐng)域。對(duì)此，本文深入分析新興存儲(chǔ)器的發(fā)展背景、特征、技術(shù)路線以及國(guó)內(nèi)外研發(fā)布局情況等，提出北京發(fā)展新興存儲(chǔ)器的相關(guān)建議。
一、新興存儲(chǔ)器的發(fā)展背景
（一）從技術(shù)趨勢(shì)角度來(lái)看，主流存儲(chǔ)器發(fā)展面臨瓶頸
目前，全球存儲(chǔ)市場(chǎng)以DRAM和NAND Flash為主，據(jù)Tech Insights的數(shù)據(jù)顯示，DRAM在整個(gè)存儲(chǔ)器市場(chǎng)的占比約為56%，NAND Flash占比約為41%。DRAM由于其在成本、單元泄漏、電容、刷新管理等方面面臨挑戰(zhàn)，自進(jìn)入10納米制程后，平面結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元的縮放受限。NAND Flash隨著堆疊層數(shù)的增加，沉積和刻蝕的均勻性更難保證，且隨著三維NAND Flash存儲(chǔ)密度的提高，高深寬比刻蝕技術(shù)挑戰(zhàn)愈加嚴(yán)峻，產(chǎn)品良率的穩(wěn)定性難以保障。
（二）從市場(chǎng)增速角度來(lái)看，存儲(chǔ)器依然面臨旺盛需求
在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，數(shù)據(jù)成為核心生產(chǎn)要素，而存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)拿浇椋渥饔弥陵P(guān)重要。據(jù)Tech Insights預(yù)測(cè)，得益于人工智能及相關(guān)技術(shù)的加速采用，2025年存儲(chǔ)器市場(chǎng)將持續(xù)景氣增長(zhǎng)，特別是DRAM和NAND兩大領(lǐng)域，或?qū)⒊蔀榘雽?dǎo)體增速最高的領(lǐng)域。同時(shí)，新興存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)新賽道，也將保持增勢(shì)。據(jù)Global Info Research數(shù)據(jù)顯示，2031年全球MRAM市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到11.8億美元，預(yù)計(jì)2025年至2031年的CAGR為23.6%；2030年全球FRAM存儲(chǔ)器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)15.77億美元，2024—2030年CAGR為7.50%。
（三）從全球競(jìng)爭(zhēng)角度來(lái)看，我國(guó)主流存儲(chǔ)器發(fā)展受限
目前，美國(guó)對(duì)我國(guó)的存儲(chǔ)技術(shù)限制逐步升級(jí)。美國(guó)商務(wù)部已將長(zhǎng)江存儲(chǔ)列入“實(shí)體清單”，美國(guó)國(guó)防部也將長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)列入“涉軍企業(yè)清單”。2024年12月2日，美國(guó)商務(wù)部工業(yè)和安全局對(duì)《出口管理?xiàng)l例》進(jìn)行了修訂，不僅強(qiáng)化了對(duì)HBM和先進(jìn)DRAM的出口管制措施，還對(duì)制造先進(jìn)存儲(chǔ)器的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行管制。此次修訂新增了對(duì)HBM技術(shù)參數(shù)的限制，還在存儲(chǔ)單位面積和存儲(chǔ)密度方面對(duì)先進(jìn)DRAM進(jìn)行重新定義。這一系列制裁導(dǎo)致我國(guó)在DRAM等存儲(chǔ)器工藝升級(jí)上舉步維艱，主流技術(shù)發(fā)展路徑面臨巨大障礙。
綜上，在市場(chǎng)需求牽引下，我國(guó)在攻克主流存儲(chǔ)器發(fā)展瓶頸的同時(shí)，亟須發(fā)展新興存儲(chǔ)器，探索通過(guò)新技術(shù)路徑彌補(bǔ)我國(guó)EUV光刻機(jī)等關(guān)鍵裝備受限的影響，助力我國(guó)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的自主可控和穩(wěn)健發(fā)展。
二、新興存儲(chǔ)器的基本情況
新興存儲(chǔ)器是指為滿足新興應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在速度、功耗、容量、可靠性等方面的更高要求而研發(fā)的新一代存儲(chǔ)技術(shù)。目前，主流的研究方向包括相變存儲(chǔ)器（Phase-change memory，簡(jiǎn)稱(chēng)PCM）、阻變存儲(chǔ)器（Resistive Random Access Memory，簡(jiǎn)稱(chēng)RRAM）、磁性存儲(chǔ)器（Magnetoresistive Random Access Memory，簡(jiǎn)稱(chēng)MRAM）、鐵電存儲(chǔ)器（Ferroelectric Random Access Memory，簡(jiǎn)稱(chēng)FRAM）。
（一）新興存儲(chǔ)器的特征
目前，PCM、RRAM、MRAM、FRAM等新興存儲(chǔ)技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室研究階段逐步邁向?qū)嶋H應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，取得了一系列技術(shù)突破，并實(shí)現(xiàn)部分成果的轉(zhuǎn)化落地。各類(lèi)新興存儲(chǔ)技術(shù)在具有低功耗、非易失性、高速讀寫(xiě)及兼容CMOS工藝等共有優(yōu)勢(shì)下，也因其獨(dú)特特性，應(yīng)用于不同領(lǐng)域。其中，PCM因具備有效抗輻照性能，被應(yīng)用于航空航天和國(guó)防等領(lǐng)域，但也因存儲(chǔ)密度過(guò)低、成本高、良率低，以及無(wú)法應(yīng)用于寬溫場(chǎng)景等劣勢(shì)，尚未大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。RRAM因耐久性強(qiáng)和具備多位存儲(chǔ)能力，適用于智能汽車(chē)、邊緣計(jì)算等對(duì)高性能、低功耗、小型化、高密度、可嵌入方面需求較強(qiáng)的終端領(lǐng)域。MRAM因高集成度和抗輻射能力在航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域應(yīng)用潛力突出。FRAM在具備高可靠性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也面臨制造成本較高且成品率低的挑戰(zhàn)，因此適用于對(duì)讀寫(xiě)速度和頻率要求高，但容量要求不高、使用壽命要求長(zhǎng)的場(chǎng)景。
表1 存儲(chǔ)器的特性與應(yīng)用領(lǐng)域
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（二）新興存儲(chǔ)器的技術(shù)路線
PCM通過(guò)改變溫度，使硫化物材料在“非結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)”間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)“1”和“0”存儲(chǔ)。英特爾長(zhǎng)期致力于PCM研發(fā)，聯(lián)合美光推出的3D XPoint技術(shù)已商用。
RRAM通過(guò)在電極上施加電壓，使阻變材料內(nèi)部離子發(fā)生遷移，改變阻變材料的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。美國(guó)企業(yè)Crossbar在RRAM技術(shù)研發(fā)上處于領(lǐng)先地位，研發(fā)出一個(gè)晶體管一個(gè)電阻的器件結(jié)構(gòu)以及三維堆疊式架構(gòu)，并已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
MRAM基于自旋電子學(xué)，利用磁矩方向平行與否實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，歷經(jīng)多年的技術(shù)演進(jìn)，現(xiàn)已發(fā)展到第三代，分別為T(mén)oggle-MRAM、STT-MRAM（Spin transfer torque，STT）和SOT-MRAM（Spin orbit torque，SOT）。其中，日本東北大學(xué)持續(xù)優(yōu)化SOT-MRAM結(jié)構(gòu)，攻克了“無(wú)磁場(chǎng)切換”和“寫(xiě)入功耗”兩大瓶頸。Everspin聚焦MRAM技術(shù)研發(fā)，產(chǎn)品存儲(chǔ)容量覆蓋1Mb-1Gb。
FRAM以鐵電晶體材料為存儲(chǔ)介質(zhì)，在外電場(chǎng)的作用下，因電場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)導(dǎo)致極化方向不同，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。美國(guó)Ramtron公司持續(xù)開(kāi)展FRAM材料、工藝等技術(shù)研發(fā)并量產(chǎn)，先后被賽普拉斯、英飛凌收購(gòu)。英飛凌已將FRAM作為其產(chǎn)品線的一部分。
三、國(guó)內(nèi)外企業(yè)在新興存儲(chǔ)器領(lǐng)域的布局情況
（一）全球新興存儲(chǔ)器領(lǐng)域百花齊放，各國(guó)企業(yè)爭(zhēng)相布局
美國(guó)企業(yè)率先搶占技術(shù)高地。IBM持續(xù)深耕SOT-MRAM技術(shù)，同時(shí)推進(jìn)3D PCM研發(fā)，已發(fā)布28納米3D PCM測(cè)試芯片；美光則在嵌入式RRAM領(lǐng)域取得突破，其22納米嵌入式RRAM已成功應(yīng)用于Nordic Semiconductor（無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)解決方案企業(yè)）的物聯(lián)網(wǎng)芯片；Avalanche Technology專(zhuān)注MRAM技術(shù)研發(fā)，不斷強(qiáng)化美國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備。韓國(guó)企業(yè)側(cè)重產(chǎn)業(yè)化落地，三星推出176層3D PCM工程樣品，并將28納米嵌入式MRAM應(yīng)用于高性能計(jì)算芯片；SK海力士則聚焦鐵電與相變存儲(chǔ)器，其28納米嵌入式MRAM已進(jìn)入量產(chǎn)階段，商業(yè)化進(jìn)程不斷加速。歐洲與日本企業(yè)選擇差異化突圍。德國(guó)英飛凌攜手臺(tái)積電，計(jì)劃將RRAM技術(shù)引入下一代微控制器，并在臺(tái)積電28納米節(jié)點(diǎn)流片；荷蘭恩智浦聯(lián)合臺(tái)積電推出業(yè)界首款車(chē)規(guī)級(jí)16納米嵌入式MRAM，搶占汽車(chē)電子市場(chǎng)先機(jī)；日本富士通聚焦MRAM與FRAM領(lǐng)域，其FRAM產(chǎn)品覆蓋130納米至55納米，在特定應(yīng)用場(chǎng)景形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
（二）我國(guó)新興存儲(chǔ)器多技術(shù)路線并行，部分領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯
北京充分發(fā)揮教育科技人才集聚優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化新興存儲(chǔ)器前沿技術(shù)探索與成果轉(zhuǎn)化。清華大學(xué)吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)聚焦RRAM及基于RRAM的存算一體架構(gòu)，首次探究了基于RRAM陣列的存算通一體的可行性等。新憶科技（清華吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)孵化的企業(yè)）相關(guān)獨(dú)立式RRAM芯片、嵌入式RRAM IP和周邊的SOC產(chǎn)品，已實(shí)現(xiàn)手機(jī)屏幕、攝像頭、藍(lán)牙、無(wú)線耳機(jī)、助聽(tīng)器、激光電視等領(lǐng)域的批量出貨。北京大學(xué)蔡一茂教授團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于RRAM前沿領(lǐng)域研究，提出RRAM高密度單元結(jié)構(gòu)、自限制三維集成等創(chuàng)新技術(shù)等。中國(guó)科學(xué)院微電子研究所劉明院士團(tuán)隊(duì)深耕RRAM領(lǐng)域，建立了物理模型，提出并實(shí)現(xiàn)RRAM的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方法，對(duì)提升RRAM在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。銘芯啟睿（中國(guó)科學(xué)院微電子研究所劉明院士團(tuán)隊(duì)孵化的企業(yè)）重點(diǎn)布局面向AI大模型場(chǎng)景的混合異構(gòu)存算系統(tǒng)產(chǎn)品，以及嵌入式IP和獨(dú)立式存儲(chǔ)芯片產(chǎn)品，并在嵌入式IP和獨(dú)立式RRAM芯片方面實(shí)現(xiàn)商業(yè)化供應(yīng)。北京航空航天大學(xué)趙巍勝教授團(tuán)隊(duì)聚焦于MRAM技術(shù)研發(fā)，近五年以第一或通訊作者已發(fā)表論文300余篇。致真存儲(chǔ)（北航趙巍勝教授團(tuán)隊(duì)孵化的企業(yè)）在北京和青島分別設(shè)立研發(fā)中心，并在青島西海岸新區(qū)建設(shè)8英寸和12英寸MRAM生產(chǎn)線。
以上海為核心的長(zhǎng)三角地區(qū)在PCM、RRAM、MRAM領(lǐng)域均具備一定產(chǎn)業(yè)化能力。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所在PCM材料環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)突破，現(xiàn)已推出3D PCM樣品。昕原半導(dǎo)體自主建設(shè)的12英寸28納米R(shí)RAM生產(chǎn)線已順利通線。舜銘存儲(chǔ)聚焦FRAM領(lǐng)域，聯(lián)合積塔半導(dǎo)體，已成功推出110納米FRAM產(chǎn)品。睿科微電子聯(lián)合昇顯、維信諾完成世界首顆嵌入式RRAM存儲(chǔ)技術(shù)AMOLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片的開(kāi)發(fā)和認(rèn)證。馳拓科技已開(kāi)發(fā)獨(dú)立式MRAM存儲(chǔ)芯片和嵌入式MRAM IP等產(chǎn)品。
表2 全球及我國(guó)新興存儲(chǔ)器布局現(xiàn)狀
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四、對(duì)北京發(fā)展新興存儲(chǔ)器的建議
當(dāng)前，存儲(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新已成為大國(guó)博弈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。北京作為我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展核心區(qū)域之一，在存儲(chǔ)技術(shù)新路線方面有基礎(chǔ)、有資源、有條件開(kāi)展原創(chuàng)技術(shù)探索及成果轉(zhuǎn)化，需采取積極舉措加快將研發(fā)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。
一是設(shè)立新興存儲(chǔ)器專(zhuān)項(xiàng)，給予產(chǎn)業(yè)全鏈條的支持。強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，通過(guò)政策引導(dǎo)，支持京內(nèi)重點(diǎn)集成電路制造企業(yè)加快嵌入式RRAM、MRAM等關(guān)鍵工藝的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。支持高校院所、企業(yè)等各類(lèi)創(chuàng)新主體強(qiáng)化新興存儲(chǔ)器核心技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，加速RRAM、MRAM、FRAM等各類(lèi)新興存儲(chǔ)器在材料、器件、工藝、架構(gòu)、算法、芯片及系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展。
二是推動(dòng)新興存儲(chǔ)器前沿材料及器件等技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。圍繞北京在RRAM、MRAM等新興存儲(chǔ)器領(lǐng)域的研發(fā)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)鉿基鐵電等FRAM前沿材料以及RRAM相關(guān)器件創(chuàng)新成果在京轉(zhuǎn)化落地。著力推動(dòng)北京央國(guó)企對(duì)新興存儲(chǔ)器開(kāi)放應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)新技術(shù)新產(chǎn)品的驗(yàn)證應(yīng)用，加快前沿技術(shù)成果落地，促進(jìn)新興存儲(chǔ)器規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
三是加強(qiáng)高校新興存儲(chǔ)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)，加快新興存儲(chǔ)領(lǐng)域的隊(duì)伍建設(shè)。持續(xù)推動(dòng)高校院所增設(shè)新興存儲(chǔ)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室、選修課程等，擴(kuò)大新興存儲(chǔ)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)規(guī)模。通過(guò)靈活有效的激勵(lì)政策、多角度的人才政策，持續(xù)吸引國(guó)外優(yōu)秀人才，不斷提升企業(yè)創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
作者介紹
陳靜文
咨詢師
長(zhǎng)期關(guān)注以集成電路為代表的新一代信息技術(shù)領(lǐng)域，參與多項(xiàng)集成電路領(lǐng)域課題研究、項(xiàng)目咨詢及評(píng)估評(píng)審工作。
編輯：張 華
審核：趙佳菲
