幾家邏輯IC廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)使得7nm、5nm、3nm……制造工藝盡人皆知。但是人們不應(yīng)忽視存儲(chǔ)芯片廠商間的技術(shù)之爭(zhēng)同樣極其激烈：3D NAND堆疊已經(jīng)上看128層，DRAM工藝微縮已達(dá)1z（12-14nm），3D XPoint、ReRAM等新一代存儲(chǔ)技術(shù)被重點(diǎn)開發(fā)。技術(shù)升級(jí)一向是存儲(chǔ)芯片公司間競(jìng)爭(zhēng)的主要策略。日前，筆者參加了美光科技舉辦的技術(shù)大會(huì)“Mircon Insight2019”，會(huì)上對(duì)存儲(chǔ)領(lǐng)域新的技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行了相對(duì)深入的剖析。從此亦可窺見，存儲(chǔ)芯片大廠間的新一輪技術(shù)升級(jí)之爭(zhēng)正在展開。
技術(shù)升級(jí)加速
技術(shù)升級(jí)一向是存儲(chǔ)芯片公司間競(jìng)爭(zhēng)的主要策略。存儲(chǔ)芯片具有高度標(biāo)準(zhǔn)化的特性，且品種單一，較難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。這導(dǎo)致各廠商需要集中在工藝技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模上比拼競(jìng)爭(zhēng)力。因此，每當(dāng)市場(chǎng)格局出現(xiàn)新舊轉(zhuǎn)換，廠商往往打出技術(shù)牌，以期通過新舊世代產(chǎn)品的改變，提高產(chǎn)品密度，降低制造成本，取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
目前多數(shù)存儲(chǔ)廠商均已開始看好明年市場(chǎng)的復(fù)蘇前景。在此情況下，美光、三星、SK海力士、英特爾等紛紛加大新技術(shù)工藝的推進(jìn)力度，以圖通過新舊世代的產(chǎn)品交替克服危機(jī)，并在新一輪市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。
1z nm工藝
DRAM具有高密度、架構(gòu)簡(jiǎn)單、低延遲和高性能的特性，兼具耐用和低功耗的特性。盡管不斷有新型存儲(chǔ)技術(shù)開發(fā)，但目前為止，在片外系統(tǒng)當(dāng)中DRAM仍然牢牢占據(jù)市場(chǎng)主流地位。與NAND閃存不同的是，DRAM需要制作電容器，比較難堆疊芯片層數(shù)，因此制造商大多只能以減少電路間距的方式，提高性能、效率。拉近電路距離的好處包含提高信號(hào)處理速度、降低工作電壓，以及增加每個(gè)硅片的DRAM產(chǎn)量，這也是各大制造商展開納米競(jìng)爭(zhēng)的緣由。因此，在新一輪競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中，廠商間不斷通過工藝微縮，強(qiáng)化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)“Mircon Insight2019”上的訊息，美光開始采用1z nm工藝批量生產(chǎn)16GB DDR4內(nèi)存。美光科技執(zhí)行副總裁兼首席商務(wù)官Sumit Sadana表示，采用1z nm工藝將改善DRAM性能并降低成本，產(chǎn)品密度更高，功耗更低。10納米級(jí)的DRAM制程分為1代（1x）、2代（1y）與3代（1z）。1z nm生產(chǎn)效率比前一代高出27％。
除美光外，三星電子、SK海力士也已成功開發(fā)1z工程。三星電子于3月完成1z DRAM的開發(fā)，并從9月開始量產(chǎn)。而且三星電子還表示將于今年年底前引入極紫外光（EUV）光刻技術(shù)。SK海力士在成功開發(fā)第2代10納米級(jí)工藝（1y nm）11個(gè)月后，近日再度取得新進(jìn)展，成功開發(fā)第3代10納米級(jí)工藝（1z nm）的16G DDR4 DRAM。
3D NAND上看128層
3D化是當(dāng)前NAND閃存領(lǐng)導(dǎo)發(fā)展的主要趨勢(shì)，各NAND閃存大廠都在3D 堆疊上加大研發(fā)力度，盡可能提升閃存的存儲(chǔ)密度。三星的第一代3D V-NAND只有24層，第二代為32層，隨后是48層……目前市場(chǎng)上的主流3D NAND產(chǎn)品為64層。今年8月三星電子再次宣布實(shí)現(xiàn)第六代超過100層的3D NAND 閃存量產(chǎn)。
美光科技也于近期宣布流片128層的3D NAND，并有望于2020年生產(chǎn)商用化的3D NAND。在 “Mircon Insight2019”技術(shù)大會(huì)上，美光科技執(zhí)行副總裁兼首席商務(wù)官Sumit Sadana表示，128層3D NAND如果被廣泛使用，將大大降低產(chǎn)品每比特成本。
SK海力士于年初宣布將投資大約1.22萬億韓元用于存儲(chǔ)芯片開發(fā)和生產(chǎn)。SK海力士目前主流3D NAND閃存為72層。SK海力士表示，下一代的3D NAND堆疊層數(shù)將超過90層，再下一個(gè)階段為128層，到了2021年會(huì)超過140層。
新一代存儲(chǔ)技術(shù)
云計(jì)算與人工智能對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算能力提出越來越嚴(yán)苛的要求，DRAM與NAND的存儲(chǔ)能力正在成為瓶頸，越來越多新一代存儲(chǔ)芯片被開發(fā)出來。因此，新一代存儲(chǔ)芯片的布局與開發(fā)也成為各大存儲(chǔ)公司角力的焦點(diǎn)。
美光科技副總裁Steve Pawlowski表示，美光是全球?yàn)閿?shù)不多的 DRAM、NAND 和 3D XPoint 解決方案垂直整合提供商。存儲(chǔ)技術(shù)幾乎涉及所有細(xì)分市場(chǎng)，包括數(shù)據(jù)中心、自動(dòng)駕駛、移動(dòng)智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等。應(yīng)用需求的不同驅(qū)動(dòng)算法的改變，算法的改動(dòng)也推動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù)的革新?！癕ircon Insight2019”技術(shù)大會(huì)上，美光科技正式宣布推出了基于3D XPoint技術(shù)的超高速SSD硬盤X100。這是美光產(chǎn)品系列中首款面向數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)和內(nèi)存密集型應(yīng)用程序的解決方案，利用新一代3D XPoint存儲(chǔ)技術(shù)，在內(nèi)存到存儲(chǔ)的層次結(jié)構(gòu)中引入新的層級(jí)，具有比 DRAM 更大的容量和更好的持久性，以及比 NAND 更高的耐用度和更強(qiáng)性能。
三星則重點(diǎn)發(fā)展新一代存儲(chǔ)技術(shù)MRAM。今年年初，三星宣布量產(chǎn)首款可商用的eMRAM產(chǎn)品。三星計(jì)劃年內(nèi)開始生產(chǎn)1G容量的eMRAM測(cè)試芯片，采用基于FD-SOI的28nm工藝。臺(tái)積電同樣重視下一代存儲(chǔ)器的開發(fā)。2017年臺(tái)積電技術(shù)長孫元成曾經(jīng)透露，臺(tái)積電已開始研發(fā)eMRAM和eRRAM，采用22nm制程。這是臺(tái)積電應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備、高速運(yùn)算電腦和智能汽車等四領(lǐng)域所提供效能更快速和耗電更低的新存儲(chǔ)器。
片上存儲(chǔ)技術(shù)
在“Mircon Insight2019”技術(shù)大會(huì)上，對(duì)存算一體技術(shù)也進(jìn)行了探討。美光科技副總裁Bob Brennan表示，伴隨著邊緣計(jì)算、自動(dòng)駕駛、數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和處理需求越來越多。在處理大數(shù)據(jù)過程中，由于數(shù)據(jù)量極大，處理數(shù)據(jù)時(shí)頻繁訪問外部存儲(chǔ)系統(tǒng)會(huì)降低運(yùn)算速度。因此，改變當(dāng)然存儲(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)存算一體的需求也就不斷提高。
所謂存算一體就是把存儲(chǔ)和計(jì)算結(jié)合在一起。具體來說，在傳統(tǒng)的馮?諾依曼結(jié)構(gòu)中，計(jì)算單元和存儲(chǔ)單元是相互獨(dú)立的。在計(jì)算過程中，計(jì)算單元需要將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)單元中提取出來，處理完成后再寫回存儲(chǔ)單元。而存算一體就是省去數(shù)據(jù)搬運(yùn)的過程，有效提升計(jì)算性能。相較于傳統(tǒng)芯片，存算一體人工智能芯片具有能耗低、運(yùn)算效率高、速度快和成本低的特點(diǎn)。
不過，存算一體的概念在1990年代就已被提出，但始終難以落地。主要原因在于，存算一體技術(shù)尚難以達(dá)到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的靈活性和通用性水平。存算一體技術(shù)需要利用將處理器和存儲(chǔ)器集成在同一芯片內(nèi)，使之通過片上網(wǎng)絡(luò)相互連接。但是目前處理器與存儲(chǔ)器的制造工藝不同，若要在處理器上實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的功能，則可能會(huì)降低存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度；若要在存儲(chǔ)器上實(shí)現(xiàn)處理器的功能，則可能會(huì)影響處理器的運(yùn)行速度。但是隨著存儲(chǔ)廠商間新一輪技術(shù)升級(jí)，存算一體技術(shù)的發(fā)展仍然受到重視。
PS：11月27日，由集邦咨詢旗下DRAMeXchange主辦的“2020存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)峰會(huì)”即將在深圳舉辦。提前了解2020年存儲(chǔ)市場(chǎng)產(chǎn)能、價(jià)格變化，歡迎識(shí)別下圖二維碼報(bào)名參會(huì)。
