存儲器，作為半導體元器件中重要的組成部分，在半導體產品中，比重所占高達20%。作為一個重要的半導體產品類型。存儲器2015年全球半導體市場銷售額為3352億美元，其中存儲器的銷售額為772億美元，存儲器在半導體產品中的占比為23%。中國作為全球電子產品的制造基地，一直以來都是存儲器產品最大的需求市場，根據賽迪顧問的研究，2015年中國大陸地區的半導體存儲器市場規模為2843億元（約400億美元）。

　　圖1，全球半導體產品的銷售額和存儲器銷售額

　　半導體存儲器市場被三星、海力士、美光等寡頭壟斷

　　半導體存儲器是一個高度壟斷的市場，其三大主流產品DRAM，NAND Flash，NOR Flash更是如此，尤其是前兩者，全球市場基本被前三大公司占據，且近年來壟斷程度逐步加劇。以DRAM和NAND兩種主要存儲芯片為例，2016年第一季度，DRAM市場93%份額由韓國三星、海力士和美國美光科技三家占據，而NAND Flash市場幾乎全部被三星、海力士、東芝、閃迪、美光和英特爾等六家瓜分。

　　（1） DRAM：全球市場規模約410億美元。目前DRAM行業基本被三星，海力士，美光三家壟斷了95%以上的市場。2014年，三星、海力士在先進制程上表現出眾，三星（Samsung）已大規模采用 20nm 工藝，毛利達42%，SK 海力士則以25nm 工藝為主，毛利率達 40%，兩者獲利能力皆進一步提升，而美光的工藝則仍以30nm 制程為主，毛利率約為24%，遠低于前兩家，故DRAM市場的壟斷格局有加劇之勢，尤其是三星，由于率先進入20nm量產時代，成功銷售不少高附加價值產品，2015年DRAM市場雖略有萎縮，但三星的營業收入反而逆勢生長，突破200億美元大關，并連續24年蟬聯DRAM半導體全球市占率第一。

　　在移動DRAM市場上，三星與海力士的市占率超過80%，呈現壓倒性優勢。

　　圖2，2015 Q1 移動DRAM主流供應商市占率

　　（2）NAND Flash： 全球市場規模約300億美元。NAND的壟斷形勢比DRAM更加嚴重，三星依然是行業龍頭，連續多年市占率維持在35%左右，東芝則和閃迪聯手，共同奪得了NAND領域第二的位子，市占率一般保持在30%左右；美光則擁有英特爾的幫助，排行第三；海力士在2011年市占率超過了美光，之后則將重心放在了DRAM方面，2012-14年連續三年排第四。上述四家公司壟斷了整個NAND市場，且壟斷程度呈上升趨勢，2011年到2014年期間，四大寡頭的NAND市占率由91.3%上升到了99.2%。

　　圖3，2014 NAND 主流供應商市場份額和市占率

　　（3）NOR Flash： 全球市場規模約30億美元。相對DRAM和NAND來說，NOR市場要小的多，分散程度也更大，目前市場主要由美光、飛索半導體（被Cypress收購）、旺宏、三星、華邦、兆易創新、宜揚科技七家主導，前五家屬于IDM模式，后兩家屬于Fabless模式，其中兆易創新是我國唯一一家在主流存儲器設計行業掌握一定話語權的企業，其在NOR Flash領域進步飛速，2012年還僅占市占率的3.4%，到2013年已躍居11%，位列全球第四。

　　圖4，2013 Nor Flash主流供應商市占率

　　主流半導體存儲器性能對比及未來發展趨勢分析

　　半導體存儲器種類繁多，不同產品技術原理不同，均各有優缺點和適用領域。例如SRAM（靜態隨機存儲器）能利用觸發器的兩個穩態來表示信息0和1，即不需要刷新電路就能保存它內部存儲的數據，故SRAM讀寫速度非常快，但是它非常昂貴，且功耗大，只用在CPU的一、二級緩存（Cache）等對存儲速度要求很嚴格的地方。廣泛運用的產品必定要能兼顧性能和成本，從市場規模來看，當下最主流的存儲器是DRAM，NAND Flash，NOR Flash，這三者占據了所有半導體存儲器規模的95%左右，尤其是前兩者，占總規模約9成。

　　圖5，存儲器的分類

　　表一，傳統存儲器性能對比

　　1） DRAM

　　DRAM：動態隨機存儲器（Dynamic RAM），“動態”兩字指的是每隔一段時間，要刷新充電一次，否則內部的數據即會消失。這是因為DRAM的基本單元是一個晶體管加一個電容，并用電容有無電荷來表示數字信息0和1，電容漏電很快，為防止電容漏電而導致讀取信息出錯，需要周期性地給DRAM的電容充電，故DRAM速度比SRAM慢。

　　另一方面，這種簡單的存儲模式也使得DRAM的集成度遠高于SRAM，一個DRAM存儲單元僅需一個晶體管和一個小電容，而每個SRAM單元需要四到六個晶體管和其他零件，故DRAM在高密度（大容量）以及價格方面均比SRAM有優勢。SRAM多用于對性能要求極高的地方（如CPU的一級二級緩沖），而DRAM則主要用于計算機的內存條等領域。

　　圖6，DRAM的器件單元圖示及其不同容量的剖面結構圖

　　DRAM未來發展趨勢：

　　受PC端拖累，整體規模下降：從整體來看，近年來移動市場表現強勁，PC端銷售量受到侵蝕，再加上同時受累于全球GDP疲軟等因素，包括IC Insights，WSTS等機構均預測16年DRAM市場規模會出現較大幅度的減弱。

　　圖7 ，DARM的全球市場規模

　　移動終端內存條增長迅速：除了計算機內存條之外，移動終端的內存條也是DRAM的一大運用領域，得益于近幾年來電子產品“移動化”的消費趨勢，移動終端DRAM市場增長很快，2009年移動DRAM出貨量還僅占整體DRAM的5.1%，到了14年這一比例已經激增為36%，并且仍然呈上升趨勢，預計15年會突破50%。而在中國，由于人口眾多，智能手機普及率逐年升高，移動端DRAM占比更是在2014年就已達到55%。

　　平面微縮趨近極限，3D 封裝開辟新路： DRAM每一次制程的更新換代，都需要大量的投入，以制程從30 nm更新到20 nm為例，后者需要的光刻掩模版數目增加了30%，非光刻工藝步驟數翻倍，對潔凈室廠房面積的要求也隨著設備數的上升而增加了80%以上，此前這些成本都可以通過單晶圓更多的芯片產出和性能帶來的溢價所彌補，但隨著制程的不斷微縮，增加的成本和收入之間的差距逐漸縮小。故各大廠商開始研究Z方向的擴展能力，三星率先從封裝角度實現3D DRAM，采用TSV封裝技術，將多個DRAM芯片堆疊起來，從而大幅提升單根內存條容量和性能。

　　圖8，DRAM的發展路線圖

　　2）NAND Flash

　　為更好地講述NAND Flash和NOR Flash這兩大存儲產品，我們首先來認識一下Flash技術。

　　Flash存儲器：又稱閃存，它是一種非易失性存儲器。閃存的存儲單元是場效應晶體管，是一種受電壓控制的三端器件，由源極（Source）、漏極（Drain）和柵極（Gate），以及襯底組成，在柵極與硅襯底間有二氧化硅絕緣層，用來保護浮置柵極中的電荷不會泄漏。

　　NAND的擦和寫均是基于隧道效應，電流穿過浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對浮置柵極進行充電（寫數據）或放電（擦除數據）。而NOR擦除數據仍是基于隧道效應（電流從浮置柵極到硅基層），但在寫入數據時則是采用熱電子注入方式（電流從浮置柵極到源極）。

　　圖9，Flash存儲器的結構單元示意圖

　　NAND Flash:NAND是目前閃存中最主要的產品，具備非易失，高密度，低成本的優勢。在NAND閃存中，數據是以位（bit）的方式保存在Memory Cell中，一個Cell存儲一個bit，這些Cell或8個或16個為單位，連成bit line，而這些line組合起來會構成Page，而NAND閃存就是以頁為單位讀寫數據，以塊為單位擦除數據，故其寫入和擦除速度雖比DRAM大約慢3-4個數量級，卻也比傳統的機械硬盤快3個數量級，被廣泛用于 eMMC/EMCP，U盤，SSD等市場。

　　圖10，NAND Flash的全球市場規模

　　NAND未來發展趨勢：

　　eMMC/eMCP持續火熱，嵌入式存儲市場廣泛：

　　eMMC即嵌入式存儲解決方案，它把MMC（多媒體卡）接口、NAND及主控制器都封裝在一個小型的BGA芯片中，系統廠商只需要選擇所需容量的eMMC芯片，而不用理會NAND品牌差異兼容性等問題，從而簡化新產品推出過程。而eMCP則將eMMC與LPDDR封裝為一體，可進一步減小模塊體積，簡化電路連接設計，主要應用于高端智能手機中。2014年，eMMC/eMCP受移動終端增長拉動，需求旺盛，在NAND比重達到25%，年復合增長率接近60%。eMMC 5.0已經是國內終端手機標配。此外，大容量eMCP模塊的占比也會增加，美光預計到2018年，32GB（eMMC）+24GB（LPDDR）的eMCP模塊占比將超過40%。

　　SSD前景可期：

　　除嵌入式產品之外，SSD也是NAND的主戰場之一，大數據存儲和高速傳輸需求讓500GB以上的SSD在服務器市場需求快速增加。而在PC端，HDD也逐漸無法抵擋SSD的攻勢，從2010到2015年，主流HDD的性能，容量，成本幾乎沒有太大變化，而SSD卻是緊跟摩爾定律，在讀寫速度，容量等方面都進步極大，性價比飆升

　　圖11，2016 NAND細分市場占比

　　技術上由2D向3D 轉變：

　　目前，16nm、28nm仍然是NAND Flash的主流制程，不過隨著2D NAND Flash制程微縮逐漸逼近物理極限， 平面微縮工藝的難度越來越大，尤其是進入16nm后，繼續采用平面微縮工藝的難度和成本已經超過3D TSV技術，幾大存儲器龍頭公司在13-14年均已成功量產16nm NAND，但出于經濟意義和未來發展前景的考慮，這些公司都沒有進一步推出更小的平面制程，而是紛紛開始轉攻3D NAND。

　　圖12，NAND 2D轉3D發展路線圖

　　3）NOR Flash

　　NOR Flash:NOR Flash 的特點是芯片內執行（XIP，Execute In Place），即應用程序不必再把代碼讀到系統RAM中，而是可以直接在Flash閃存內運行。NOR 的傳輸效率很高，讀取速度也比NAND快很多，在1~4MB的小容量時具有很高的成本效益，然而其擦除是以64-128KB的塊為單位進行的，執行一個寫入/擦除操作的時間為5s，而NAND器件的擦除則是以8-32KB的塊為單位進行，執行相同的操作最多只需要4ms，故其很低的寫入和擦除速度大大影響到它的性能。此外，NOR的單元尺寸幾乎是NAND flash的兩倍，故在成本上也不具備優勢，這使得NOR的使用范圍受到了更大的限制，不少曾屬于NOR的市場也慢慢被其他存儲器所奪取，但NOR flash廠商也并沒有坐以待斃，而是積極開拓汽車電子等物聯網市場。近年來NOR flash市場規模持續萎縮。

　　圖12， NOR FLASH的全球市場規模（單位：億美元）

　　NOR Flash 未來發展趨勢：

　　車用電子發展勢頭好：

　　過去NOR Flash芯片主要應用多數以手機為主，用來儲存代碼程序，但自從智能型手機開始導入eMMC解決方案后，手機中采用NOR Flash比重大幅降低，被NAND奪取了智能手機這一大市場的NOR只能另尋戰場，目前發展的最好的當屬車用電子市場，且在車體本身和外圍娛樂導航等車載設備系統都能看到到NOR Flash的身影，Honda、Toyota采用美光的NOR Flash芯片，Nissan則聯手東芝，其采用的內嵌式NOR Flash芯片容量大多是230Mb以上。

　　工控，網通領域增長快：

　　除車用電子之外，NOR Flash芯片也大量導入工控領域、網通設備等領域，且同樣多采用高容量NOR Flash芯片，未來成長空間仍相當可觀。

　　并行衰弱，串行增長：

　　并行NOR閃存由于管腳多，集成度低等缺點，已經逐漸被管腳少，集成度高的串行NOR閃存所取代，近年來全球NOR Flash市場規模總體變化不大，但內部來看則呈現串行NOR Flash增長，并行NOR Flash衰退的趨勢。

　　傳統存儲器的挑戰VS.新型存儲器的機遇

　　目前存儲器行業的主要矛盾是日益增長的終端產品性能需求和尚未出現重大突破的技術之間的矛盾。具體一點來說，是內存和外存之間巨大的性能差異造成了電子產品性能提升的主要瓶頸。這幾年SSD成為電腦性能發燒友的最愛，就是因為傳統的機械硬盤的傳輸速度往往在200MB/s以內，尋道時間約為10ms級；而采用NAND閃存的SSD傳輸速度為數百MB/s到幾GB/s，尋道時間約為0.1ms以內，極大的速度提升讓人感覺像是換了一個電腦。然而即便是頂級的SSD，其延遲也是百微秒級別，離DRAM的十幾納秒相差近萬倍，傳輸速度也慢了一個數量級，這就使得DRAM的性能不能全部發揮出來。

　　圖13，存儲器的性能瓶頸

　　一、三大存儲技術各有不足

　　除了內存和外存之間的性能差異之外，三大主流半導體存儲器本身也存在各種不足：

　　DRAM：數據易失，容量小。盡管DRAM各項性能都很優秀——納秒級別的延遲，數十GB/S的帶寬，接近于“長生不老”的壽命；然而它是易失性存儲器，即斷電后數據會丟失，而且，其成本比閃存高，容量也較小。此外，盡管平面微縮離物理極限還有一定的距離，但是在18/16nm之后，繼續在二維方向縮減尺寸已不再具備成本和性能方面的優勢。

　　NAND：延遲長，壽命短，平面微縮已到極限。NANDflash具有低成本（相對DRAM），低功耗，非易失，體積小等優點，但由于其每次寫入數據時需要施加高壓，讓電子突破晶體管的氧化膜進入浮動柵極，這一過程會對氧化膜造成不可逆的損害，性能最好的SLC NAND，讀寫次數也只有10萬次左右，而差一些的MLC，TLC的讀寫壽命均以千次為量級。制程微縮方面的情況和DRAM類似，進入16nm后，2D NAND的成本在急劇上升，繼續采用平面微縮工藝的難度和成本已經超過3D TSV技術，同時微縮之后絕緣層也需要相應減薄，在薄到一定程度之后，電子在電壓不滿足的情況下也可能會發生隧穿效應，從而影響芯片的可靠性。

　　NOR： 容量小，寫入擦除速度慢。NOR Flash的優點是應用程序可以直接在Flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中，故其傳輸效率很高，讀取速度快，在1~4MB的小容量時具有很高的成本效益，主要被用來存儲程序。然而NOR的器件結構要求其在進行擦除前先要將所有的位都寫入0，這就使得其擦除速度很低，同時由于閃存在寫入數據之前，均要求進行擦除，故這也會影響到NOR的寫入速度。

　　綜述所述，現有存儲器的問題主要有內外存性能不匹配、內存不具備非易失性、外存微縮難度大等等，因此不少企業和研究機構都迫切想要研發出新型的存儲器，希望其能同時具有 DRAM 的高速度高壽命和FLASH 的低成本非易失的優點。

　　二、新型存儲器的分類及其優勢

　　傳統的主流存儲器面臨挑戰，新型存儲器技術值得關注。存儲器的革新主要有兩種手段，一是結構上由2D變為3D，二是采用新的存儲器件結構或材料，本節我們將從器件結構，功能特性，研發進展等角度對目前最主要的新型存儲器進行對比分析。3D XPoint技術是最具革命性的熱點技術，故將放在下一節單獨重點分析。

　　1）3D NAND

　　目前，NAND 閃存的主流制程為28nm/16nm，在制程進入1x nm 世代后，越來越緊鄰的存儲單元之間的串擾效應，越來越薄的柵氧化層導致的電子擊穿效應，都使得NAND的可靠性和性能受到影響。此外，在進入2x nm后，由于平面微縮工藝的難度越來越大，故微縮帶來的成本優勢開始減弱，尤其是在16nm制程后，繼續采用2D 微縮工藝的難度和成本已經超過硅通孔，薄膜刻蝕等3D技術。

　　圖14， 2D NAND 與 3D NAND的對比

　　也就是說，不論是從性能角度考慮，還是從經濟角度考慮，繼續平面微縮都不是一個好辦法，因此三星，海力士，東芝，美光等NAND龍頭企業都在積極研發3D NAND技術。IC Insight預計，得益于SSD和智能手機的推動，2015年開始3D NAND的出貨量將以200%的年均復合增長率遞增（2D則以每年17.1%的速度下降），預計2020年達到NAND總量的70%的水平。

　　3D NAND 優點：

　　1） 輕松在寬松的制程下得到大容量：從2D NAND到3D NAND就像平房到高樓大廈，因此單位面積的容量更高，目前32層的3D NAND容量為128Gb，與主流2D 1y/1znm NAND的容量持平，而48層的3D NAND存儲器容量能夠達到256Gb，即層數達到48層后，3D的威力將初步顯現，三星預計100層的3D NAND容量將達1TB。

　　2） 性能更高，功耗更低：得益于立體堆疊的模式，3D NAND能在較大的存儲單元尺寸下保持很高的存儲密度，大的存儲單元接受電荷信號更飽滿，柵氧的厚度也更大，不易被擊穿，此外，更大容量NAND讀寫不需要那么多次的重試，因此總功耗也會更低。

　　主流技術對比：

　　由于2D NAND的架構關鍵在于光刻，而3D的關鍵則在于高深寬比通孔刻蝕，薄膜加工等技術，工藝差別較大，故各家的進展并非一帆風順。目前3D NAND的研發總體可以分為三大陣營，分別是三星，海力士，東芝，三家都有其相似的技術和專用技術。相同之處在于三者都使用了環柵技術（GAA： gate-all-around），使得柵極對導電溝道的控制能力更強，關斷電流也更小。不同之處主要有三點：

　　三星和海力士在其3D NAND產品中引入了電荷擷取層（CTL：Charge Trap Layer），即將電荷存儲在高K（介電常數）材料絕緣層（SiN），而傳統的2D NAND則是將電荷儲存在導電的多晶硅浮柵上，氮化硅因為結構特殊，電荷往往會自動積聚到它的晶格周圍，因此理論上這些電荷不會消耗，從而其壽命可以得到提升。而Intel/美光方面則是仍然采用傳統的浮柵極，理由是這項技術在2D NAND中已經久經考驗，比較成熟。

　　東芝/閃迪，西部數據在3D NAND方面是合作關系（西部數據2016年收購了閃迪），均使用一項名叫BiCS（Bit Cost Scaling：位成本可擴展技術）的技術，其3D堆棧上所有存儲器單元可以采用相同的晶圓沉積步驟同時生產出來，而且堆疊的存儲器單元每個位行只需要一個位線，故可以隨NAND規模的擴大而降低成本，號稱在所有3D NAND閃存中核心面積最低，成本最低。2015年，東芝/閃迪推出了48層第二代3D NAND Flash（即BiCS2），該產品在一個2bit/cell （16GB）的芯片中堆疊了48個字線層，容量為16GB，其采用的“U”型NAND串結構可以提高陣列密度。

　　東芝和海力士使用自對準多晶硅柵，而三星則是通過大馬士革工藝淀積金屬柵。

　　2）3D DRAM

　　與NAND Flash技術類似，DRAM的平面微縮也正在一步步接近極限并向垂直方向擴展：18/16nm之后，由于薄膜厚度無法繼續縮減，以及不適合采用高介電常數（High-K）材料和電極等原因，繼續在二維方向縮減尺寸已不再具備成本和性能方面的優勢。與DRAM的3D技術路線不同的是，DRAM的3D技術體現在芯片層面，而非晶體管層面，即其3D指的是3D封裝——采用TSV將多片芯片堆疊在一起，隨著電子產品對DRAM容量要求和性能的提升，未來3D DRAM比重將呈上升趨勢。

　　3D DRAM優點：

　　a）寬松尺寸下實現高密度容量：和3DNAND類似，Z方向的擴展能力使得其對平面微縮的要求降低，從而可以在較大制程下大幅提升單根內存條容量。

　　b）寄生阻容減少，延時串擾降低：改用3D封裝之后，很多芯片之間的連接由水平面上交雜的銅線變成了垂直方向的通孔，互連線長度大大降低，從而極大的改善了后道線間延時和串擾，對芯片性能的提升有很大的幫助。

　　3） PCRAM（相變存儲器）

　　PCM（Phase Change RAM）：相變隨機存儲器，此類存儲器利用材料晶態和非晶態之間轉化后導電性的差異來存儲信息，過程主要可以分為SET和RESET兩步。當材料處于非晶態時，升高溫度至高于再結晶溫度但低于熔點溫度，然后緩慢冷卻（這一過程是制約PCM速度的關鍵因素），材料會轉變為晶態（這一步驟被稱為SET），此時材料具有長距離的原子能級和較高的自由電子密度，故電阻率較低。當材料處于晶態時，升高溫度至略高于熔點溫度，然后進行淬火迅速冷卻，材料就會轉變為非晶態（這一步驟被稱為RESET），此時材料具有短距離的原子能級和較低的自由電子密度，故電阻率很高。相變材料在晶態和非晶態的時候電阻率差距相差幾個數量級，使得其具有較高的噪聲容限，足以區分“ 0”態和“ 1”態。目前各機構用的比較多的相變材料是硫屬化物（英特爾為代表）和含鍺、銻、碲的合成材料（GST），如Ge2Sb2Te5（意法半導體為代表）。

　　圖15.PCM的結構圖

　　PCM優點：

　　a）低延時，讀寫時間均衡：與NANDflash相比，PCM在寫入更新代碼之前不需要擦除以前的代碼或數據，故其速度比NAND有優勢，讀寫時間較為均衡。

　　b）壽命長：PCM讀寫是非破壞性的，故其耐寫能力遠超過閃存，用PCM來取代傳統機械硬盤的可靠性更高。

　　c）功耗低：PCM 沒有機械轉動裝置，保存代碼或數據也不需要刷新電流，故PCM的功耗比HDD，NAND，DRAM都低。

　　d）密度高：部分PCM采用非晶體管設計，可實現高密度存儲。

　　e）抗輻照特性好：PCM存儲技術與材料帶電粒子狀態無關，故其具有很強的抗空間輻射能力，能滿足國防和航天的需求。

　　PCM研發難點：

　　A）器件功耗與工作速度難以兼顧：為了減少器件功耗，應盡量降低相變材料的熱導率，以提高熱量的利用率；但同時過低的熱導率使得相變單元的絕熱常數過高，不利于RESET后的快速冷卻，影響了器件的工作速度。

　　B）高密度情況下的熱串擾問題：在當一個器件單元中的相變材料處在高溫熔化狀態時，熱擴散可能會使相鄰的器件單元也發生相變，從而導致存儲信息的錯誤。

　　串擾電流影響數據穩定性：目前二極管作為選通管是高密度PCM的一個主要選擇，但其制備工藝會導致同一字線上相鄰二極管之間會形成寄生三極管，而寄生三極管的串擾電流又會影響數據穩定性。

　　C）材料需兼備高結晶溫度和低熔點：數據保存時間與非晶態的熱穩定性有關，即PCM材料需要幾倍較高的結晶溫度，同時，為了降低功耗，其熔點不能太高。

　　D）相變前后體積變化影響器件可靠性：材料發生非晶態和晶態之間的轉變時，其體積會發生變化，進而可能導致相變材料和與其接觸的電極材料發生剝離，器件失效。

　　4） RRAM（阻變存儲器）

　　RRAM（Resistive RandomAccess Memory）：阻變式存儲器，典型的RRAM由兩個金屬電極夾一個薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲介質。選用材料的不同會對實際作用機制帶來較大差別，但本質都是經由外部刺激（如電壓）引起存儲介質離子運動和局部結構變化，進而造成電阻變化，并利用這種電阻差異來存儲數據。目前最被接受的RRAM機理是導電細絲理論，基于細絲導電的器件將不依賴于器件的面積，故其微縮潛力很大。RRAM所選用的材料多為金屬氧化物，此外硫化物及有機介質材料也受到了一定的關注。

　　圖16，RRAM的器件單元及儲存原理

　　RRAM優點：

　　高速度：RRAM擦寫速度由觸發電阻轉變的脈沖寬度決定，一般小于100ns。

　　耐久性：RRAM讀寫和NAND不同，采用的是可逆無損害模式，從而可以大大提高其使用壽命。

　　具備多位存儲能力：部分RRAM材料還具備多種電阻狀態，使得當個存儲單元存儲多位數據成為可能，從而提高存儲密度。

　　RRAM缺點：

　　絲狀電阻擴展難：大多數的RRAM都是絲狀的，需要編程來統計每一次絲狀的變化。因此要想擴展非常困難，速度也不夠理想，同時，絲狀結構會提升電流密度，并對性能與可靠性造成影響性。

　　相鄰單元串擾和器件微縮能力難以兼顧：RRAM的存儲器矩陣可以分為無源矩陣和有源矩陣兩種，無源矩陣的存儲單元由一個阻變元件以及一個非線性元件（一般使用二極管）相連，后者的作用是使阻變元件得到合適的分壓，從而避免阻變元件處于低阻態時，存儲單元讀寫信息丟失。這種方法的優點是設計比較簡單，工藝微縮性好，但采用無源矩陣會使相鄰單元間不可避免地存在干擾。有源單元則由晶體管來控制阻變元件的讀寫與擦除，雖可良好隔離相鄰單元的干擾，但其設計更復雜，且器件可微縮性較差。

　　5）MRAM（磁存儲器）

　　MRAM（Magnetic RAM）：磁性隨機存儲器，它靠磁場極化而非電荷來存儲數據。MRAM 的存儲單元由自由磁層，隧道柵層，固定磁層組成。自由磁層的磁場極化方向可以改變，固定層的磁場方向不變，當自由層與固定層的磁場方向平行時，存儲單元呈現低電阻；反之呈高電阻，通過檢測存儲單元電阻的高低，即可判斷所存數據是 0還是1。

　　圖17 MRAM的存儲單元

　　MRAM優點：

　　非易失：鐵磁體的磁性不會由于斷電而消失，故MRAM具備非易失性。

　　讀寫次數無限：鐵磁體的磁性不僅斷電不會消失，而是幾乎可以認為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無限次重寫。

　　寫入速度快，功耗低：在目前已經得到的實驗樣品中，MRAM的寫入時間可低至2.3ns，并且功耗極低，可實現瞬間開關機并能延長便攜機的電池使用時間。

　　和邏輯芯片整合度高：MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，甚至可以實現2~3層單元疊放，故具備在邏輯電路上構造大規模內存陣列的潛力。

　　MRAM缺點：MRAM最大的缺點是存儲單元之間存在干擾，當對目標位進行編程時，非目標位中的自由層很容易被誤編程，尤其是在高密度情況下，相鄰單元間的磁場的交疊會愈加嚴重。

　　5） FRAM（鐵電存儲器）

　　FRAM（Ferromagnetic RAM）：鐵電存儲器，結構與DRAM大致相同，基本單元由一個MOS管和電容組成，但DRAM電容的電介質材料斷電后無法繼續存儲電荷，FRAM則使用斷電后電荷不會丟失的鐵電晶體作為電介質，當在平面電容中加電壓時，鐵電晶體在電場作用下會形成極化電荷，正向電壓下所形成的極化電荷較低，反向電壓下所形成的極化電荷較高，這種二元穩定狀態使其可以作為存儲器。FRAM的結構主要有兩種：Planar結構的工藝相對簡單，其隔離采用LOCOS結構，且不需要使用CMP，而Stacked結構的集成度較高，但工藝更加復雜，需要用到STI（淺槽隔離）和CMP。

　　圖18，兩種主流FRAM結構

　　FRAM優點：兼具DRAM的高速讀寫優勢和Flash的非易失性。

　　FRAM缺點：最大的缺點是微縮能力差，難以采用納米級工藝，此外，目前還沒有發現一種完美的鐵電晶體材料，主流材料PZT（鋯鈦酸鉛）和SBT（鉭酸鍶鉍）都有缺點：PZT能夠使用濺射和 MOCVD等方法在較低的溫度下制備，原材料便宜、晶化溫度較低，工藝集成較容易，但有疲勞退化問題，而且鉛會對環境造成污染。SBT雖然環保且無疲勞退化問題，但其制作工藝溫度較高，工藝集成難度很大。

　　6）揭秘英特爾/美光的3D XPoint技術

　　在2015年七月的IDF（英特爾技術峰會）上，英特爾和美光聯手發布了一種名為3D XPoint的新一代存儲器技術，該技術歷經十載研發，第一次在實際產品上實現了低成本，高速度，非易失三大性能的結合，被英特爾稱為自1989年NAND被發明后存儲領域的第一次質的突破。

　　圖19，3D XPoint的結構

　　具體來看，3D XPoint的隨機寫入速率是NAND 的1000倍，密度是DRAM的10倍，英特爾還將使用3D XPoint技術的初期實際產品和其另一款使用NAND閃存的頂級SSD進行性能對比，結果表明8線程情況下前者的4K隨機讀寫速度是后者的5.44倍，而在單線程中差距擴大到7.25倍，英特爾表明該技術的延遲高于閃存，略低于內存，可以在靠近處理器的位置以較低成本存儲更多數據，顯著降低延遲，以加快分析速度。

　　3D XPoint 除了在性能方面兼具閃存的非易失性和內存的高傳輸速度優點之外，還擁有更為寬松的蝕刻尺寸要求和層數添加空間，這使得其制備成本也會顯著降低。英特爾和美光在存儲器方面連續多年被三星、海力士，東芝等日韓廠壓制，此次聯手推出這一顛覆性新型存儲器，無疑奪取了不少本聚焦在三星和海力士重點推進的3D NAND上的目光，在本節報告中，我們將針對3D XPoint展開詳細分析，揭秘其究竟緣何具備如此高的綜合性能，它的運用場景在哪里，目前還存在哪些難點以及量產計劃。

　　結構特點及工作原理

　　輕松定位存儲單元，隨機寫入速率飆升：NAND Flash無法定位到具體每一個存儲單元，只能定位到一個page（每個page大約是4KiB或者8KiB）的內容，寫入需要整個page寫入，擦除更是需要一次性擦除整個block（每個block為128或256KiB），這導致NAND需要使用復雜的垃圾回收算法，極大的影響了其隨機訪問性能。而在3D XPoint中，1280 億個密集排列的存儲單元被交叉的字線和位線連接，從而使得每一個記憶體都能通過兩條導線進行定位，以支持對單個存儲單元的獨立訪問，每個存儲單元存儲一位數據，故其和DRAM類似，具有很好的隨機性能。

　　紫光聯手武漢新芯，加快國內存儲器發展

　　半導體存儲器芯片行業是一個高技術壁壘，高資金壁壘，高度壟斷的“三高”行業，粗看上去，是一個難以啃下的硬骨頭，國家這兩年砸下重金發展存儲器，能否實現存儲器的國產化目標值得探討。本章我們將從戰略意義和經濟意義兩個角度來分析大陸發展存儲器的必要性，并論述我國為什么要選擇此時大力發展存儲器行業。

　　1） 戰略意義：中興事件再次敲響警鐘，芯片國產化關乎國家信息安全

　　繼2013年斯諾登事件之后，今年3月發生的中興通訊事件再次讓我們認識到芯片國產化的緊迫性。因涉嫌違反美國對伊朗的出口管制政策，中興通訊在今年3月遭到美國商務部處罰。美商務部下令：限制中興通訊在美國的供應商向中興出口產品，該出口限令可能會切斷中興通訊目前系統設計的關鍵器件供應。盡管出于緩和中美雙方政治關系，保護美芯片供應商利益等原因，經過半個月的多方博弈后，美國政府在該政策實施半個月后的3月21日宣布解除禁令，但此次事件相當于給我國半導體行業的現狀再次敲響了警鐘。

　　存儲芯片作為半導體行業的重點產品，是海量數據的載體，在電子化，數據化程度越來越高的今天，數據就是每一個公民乃至國家的“電子身份證”，關乎信息安全和軍事安全，戰略地位非常重要，只要一天不能自主掌握關鍵技術，命脈就仍然掌握于他人之手！一旦兩國關系僵化甚至開戰，美國政府實施徹底禁運，將會給我國的經濟和信息安全帶來極大的打擊，因此加快我國存儲芯片和整個半導體行業的國產替代速度，以期早日擺脫發達國家的嚴重依賴！

　　2）經濟意義：大陸存儲芯片市場約400億美元，新興市場空間更大

　　存量市場約400億美元：中國大陸作為最大的集成電路消費國，自身企業的市場占有率卻很低，極大的消耗量，自給率卻很低，這意味著巨額的進口。近年來，集成電路進口額多次超過原油，堪稱我國第一大進口商品，目前我國80%的高端芯片依賴于進口，而芯片的利潤和其技術含量高度相關，為此國家每年都要向韓國，美國，日本等國家付出大量的外匯，存儲器更是半導體行業四大產品類型中自給率最低的一個，DRAM，NAND兩大存儲芯片均由國外前三、四家公司就占據了90%以上的市場，僅2015 年前三季度，中國購買了120億美元的DRAM和66.7億美元的NAND flash，分別占到全球消費的 21.6%和29.1%。

　　圖20，集成電路進口與原油對比

　　新興市場快速增長，潛力無限：受宏觀經濟不景氣，摩爾定律生命力減弱，智能手機普及紅利消耗殆盡等因素的影響，半導體行業傳統運用市場增速放緩。但物聯網這顆新星卻正在冉冉升起，2016年6月，NB-IOT無線通訊技術標準被凍結，該標準為物聯網量身定制，具有覆蓋廣，連接多，低功耗，低成本等優點，一經推出就得到了眾多設備商和電信運營商的支持，其正式凍結預示著物聯網將進入高速發展階段。根據分析機構Markets and Markets預測，2016-2022年全球物聯網芯片市場復合成長率將高達11.5%，2022全球物聯網芯片市場規模或將超100億美元。在大多數物聯網終端和服務器端，都會用到存儲芯片，尤其是在服務器端，會需要存儲大量的數據，這將是半導體存儲器的一個新增長點。

　　3）時機選擇：技術換代機會難得，迎彎道超車機遇！

　　不論是NAND還是DRAM，目前在成本和性能雙方面都漸漸開始顯露疲態，因此各大存儲器龍頭都在積極發展新型存儲器，新的存儲器雖然仍存在很多技術方面的挑戰。但挑戰總是與機遇并存的，傳統存儲器市場已經呈現高度壟斷形式，且近幾年壟斷程度還在逐漸加劇，而新型存儲器由于在架構和材料方面都有很大的不同，各大龍頭存儲器廠商目前的進展也并非一帆風順，而國內機構在國家政策的大力支持下，已取得了不少成就：3D NAND方面，武漢新芯攜手Spansion，目前已經能做到9層；在PCM，RRAM等新型存儲器上，國內也有不少企業和科研單位再進行探索。從專利數目上看，DRAM和NAND由于行業高度壟斷，三星，海力士，東芝，美光等幾家公司經過多年積累，已經形成了極高的專利壁壘，而新型存儲器龍頭公司并未占據絕對優勢，在不少細分領域都有施展拳腳的機會，目前我國新型存儲器的專利擁有數已大大超過DRAM和NAND，和國內龍頭企業的差距相對來說也較小。

　　圖21，大陸地區傳統和新興存儲專利申請數據

　　當下正是十年一遇的技術更新換代，顛覆革新之時，我國應要抓住這個機會，大力支持相關企業和科研機構，力爭實現彎道超車，一旦錯過，讓其它企業再次形成專利壁壘和規模壁壘之后，我國想再進入該領域就要付出更大的代價。

　　未來布局：三龍頭重點突破

　　為避免資源過度分散而造成浪費或非必要競爭，我國應在存儲器領域重點上培育1-2個龍頭企業，既重視技術研發，也重視資本運作。在國家政策的引導下，企業強強聯合，走以資本為紐帶的虛擬IDM道路，上中下游龍頭公司緊密合作，共同發展。目前，國內已形成三方重點力量發展存儲器，力爭在數年或十數年內，實現存儲器的國產替代，并占據一部分海外市場。

　　1）紫光集團收購武漢新芯，設立長江存儲

　　2015年11月，紫光國芯（原同方國芯）發布A股有史以來最大定增額度預案，將在存儲器領域投入932億資金（其中募集資金600億）建設存儲芯片工廠，主要用于生產閃存芯片。2016年2月，紫光國芯發布公告，將以37.9億人民幣的價格認購力成科技25%的股份，并以23.4億人民幣認購南茂科技25%的股份。力成和南茂都是半導體存儲器領域的主要封測廠，紫光布局存儲器的意圖非常明確。

　　圖22，武漢新芯的存儲器芯片發展規劃

　　2016年3月，大基金與湖北省集成電路產業投資基金股份有限公司、國開發展基金有限公司、湖北省科技投資集團有限公司簽署協議，投資240億美元助推武漢新芯重點開發3D NAND存儲器。

　　2）福建晉華攜手***聯電，兩岸共謀DRAM大計

　　2016年5月，福建晉華集成電路有限公司宣布與聯電合作，此次合作將結合***的半導體制造能力，及中國大陸的市場與資金，由聯電在***進行32納米制程技術研發，由晉華提供DRAM特用設備，并依開發進度支付技術報酬金為開發費用，成果將由雙方共同擁有。雙方合作開發的技術，主要應用在利基型DRAM生產。

　　7月16日，福建省晉華存儲器集成電路生產線在泉州市晉江舉行開工奠基。該項目一期投資達370億元，預計2018年9月形成月產6萬片12英寸內存晶圓的生產規模，預計年銷售額12億美元，主要用于生產利基型DRAM，而項目的二期工程將在五年內擴產至月產12萬片的規模。

　　此次合作選擇先以利基型DRAM作為突破口，原因主要有兩個，一是因為其技術開發相對容易，二是因為此類DRAM企業特殊應用的小眾市場，通常三星，海力士將重點放在標準型DRAM上，對于利基型DRAM并沒有固定的生產線，而是根據市場需求來做調整安排，若晉華聯電能專心做好利基型DRAM，專為這一部分市場服務，無疑將更容易贏得客戶的信賴，有利于打開整個DRAM市場。

　　3）合肥政府多方布局，意圖發展DRAM

　　合肥政府一直非常重視半導體行業的發展，早在2013年10月，合肥市政府就出臺了《合肥市集成電路產業發展規劃（2013～2020年）》，規劃中提到，合肥將重點發展芯片設計業和特色晶圓制造，并計劃到2020年，要建設3~5條特色8英寸或12英寸晶圓生產線，實現綜合產能超10萬~15萬片/月。

　　2015年4月，合肥面板龍頭京東方傳出要切入DRAM領域，并于10月宣布要與兆基科技合作研發DRAM技術，后者是一家DRAM設計公司，由曾經的DRAM市場龍頭企業爾必達（2012年被美光收購）部分團隊成員成立。

　　2016年2月，據日本NHK報道，合肥政府傳出將與兆基科技合作，由合肥政府初期將投入 8000 億日圓（約460億人民幣），兆基科技則負責工廠設備引進和生產計劃制定，目前廠房已經在建設中，第一步是設計物聯網科技所需的低耗電DRAM芯片。力爭2018年投入生產，預計投產后月產可達10萬片。