隨著北京時代全芯(AMT)相變存儲(PCM)產品在其江蘇工廠——江蘇時代芯存半導體有限公司(AMS)量產，國產存儲又添一員猛將。5G、AI、IoT等技術帶來消費電子和大規模數據中心的快速發展，市場對存儲的需求將越發白熱化。作為重要的半導體產品類型之一，存儲器約占全球半導體產值的三分之一。數據顯示，2020年全球存儲器收入增加135億美元，占2020年整個半導體市場收入增長的44%。

存儲器市場概覽

從市場規模來看，當下最主流的存儲器是DRAM，NAND Flash和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，占總量約9成，市場規模均在數百億美元。

存儲器領域的基本類型 來源：維基百科, 長江證券研究所

其中，DRAM 2018年的市場規模已達到1000億美元，根據IC Insights最新預測,預計到2026年全球DRAM市場規模有望達到1219億美元左右。相對DRAM和NAND來說，NOR Flash的市場要小的多，全球規模約30億美元，分散程度也更大。

半導體存儲器是一個高度壟斷的市場，DRAM和NAND Flash基本被前三大公司包攬，且近年來壟斷程度逐步加劇。根據中國閃存市場的數據顯示，2020年，DRAM市場95%的份額被三星、SK海力士和美光占據，而三星、鎧俠、西部數據、美光、SK海力士、英特爾則占據了NAND市場約99%的份額。

具體看這三大存儲器，他們各有不同：

DRAM數據易失，容量小。盡管DRAM多項性能都很優秀——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。

NAND Flash延遲長，壽命短，平面微縮已到極限。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。

NOR Flash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，而是直接在Flash閃存內運行，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。

綜上所述，這三類主流存儲器都存在各自的優缺點，并且隨著技術的發展，他們的缺點也在被逐漸放大。

現有存儲技術面臨巨大挑戰

小存儲單元尺寸 (Cell Size)、高性能 (Performance) 以及低功耗 (Power Consumption) 一直是存儲器業者持續追求的目標。

當半導體制程走到14nm 以下，半導體工藝遷移到 Fin-FET (Fin Field-Effect Transistor，鰭式場效應晶體管)后，該技術無法直接套用在既有的一些嵌入式存儲元件上。再者，未來人工智能 (AI) 及邊緣計算 (Edge Computing) 等高計算能力的需求使得現存高容量存儲器，如 DRAM、NAND 閃存的高耗電及速度問題已無法跟上需求的腳步。

存儲器密度不斷提高，基本原件尺寸在不斷縮小，CPU對存儲器容量需求不斷增加，這些問題在未來將會越來越嚴重。

半導體的核心是摩爾定律，簡單講就是通過把單位元器件做的越來越小，來提高單位晶圓上的存儲密度和功能。現有存儲技術(DRAM和Flash)都面臨同樣的問題——半導體工藝縮微化不能繼續縮小。

與此同時，存儲器消耗太多電力。物聯網 (IoT) 和移動裝置使用電池電力運行，其存儲器必須謹慎選擇，因為它們消耗大部分的電池電力，降低了電池使用時間。

下一代移動架構將為人工智能及邊緣計算導入更高的計算能力需求，同時要求更低的功耗以滿足消費者的期望以及在嚴峻的市場競爭中獲勝。當然這些必須以低成本實現，而這就是現有存儲器技術面臨的挑戰。

總結而言，現有存儲器具有內外存性能不匹配、內存不具備非易失性、外存微縮難度大等問題，因此新型存儲開始受到廣泛關注。有業內人士指出，新的存儲技術必將取代現有存儲技術，這是歷史發展的必然趨勢。

新型存儲能解決什么問題?

目前，流行的新型存儲技術主要有MRAM、ReRAM 、PRAM 以及FeRAM。

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。

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。

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。

ReRAM(Resistive RandomAccess Memory)：阻變式存儲器，典型的ReRAM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。

這些新型存儲器或者具有更快的存取速度，或者具有更高的耐用性，或者具有更小的裸片尺寸、更低的成本和功耗，甚至有可能為未來存儲器內計算 (In-Memory Compute)的開發提供支撐。

新型存儲技術的出現，能解決當下主流存儲器的功耗問題。此外，這些新型的存儲器都是非易失性的，所以不需要刷新它們。

與 DRAM 相比，新型存儲技術可以自動降低 20% 的功耗。由于它們都可以在不擦除的情況下覆蓋舊數據，因此可以節省閃存所需的高擦除能耗，以及慢擦除周期引起的延遲 (該屬性稱為原位編程 (In-Situ Programming))。

與閃存相比，這些新技術的寫入過程能量要求非常低，減少或消除了對低效電荷泵的需求。最后，所有這些新技術都提供隨機數據訪問，減少了保留兩個副本——一個在閃存，一個在 DRAM——的需求。

因此使用新型存儲器技術來取代當今的傳統 DRAM + NAND 閃存架構，將帶來顯著的的功率節省以及性能提升。

了不起的PCM

當前的新型存儲均處于起步階段，其中PCM(Phase Change Memory)技術發展最成熟，是唯一一個有大容量，大規模量產的技術。

PCM(Phase Change Memory)即相變存儲器，也有人稱之為 PRAM (Phase-change RAM)，該項技術已經有幾十年的研究歷史，Intel 聯合創始人 Gordon Moore 早在 1970 年就發表了一篇描述早期原型的論文：相變存儲器通過熱能的轉變，讓相變材料在低電阻結晶 (導電) 狀態與高電阻非結晶 (非導電) 狀態間轉換。

PCM 速度慢于 DRAM，但比 Flash 快近1000 倍;PCM 存儲密度高于 DRAM，但是比Flash 要低。目前存儲器運用過程中，DRAM 和 Flash 兩者在整個系統中不匹配，需要新的存儲器來構建整個架構，相變存儲器優勢很多，市場有很大的需求，很多公司在推動其產業化的進程。

三星 2008 年基于 90nm 工藝制備 512Mb 相變存儲器芯片;2011 年基于 58nm 工藝制備 1Gb 相變存儲器芯片;2012 年基于 20nm 工藝制備 8Gb 相變存儲器芯片;2014 年發布相 變存儲器的產業報告。

美光 2009 年基于 45nm 工藝制備 1Gb 相變存儲器芯片;2011 年發布第一款基于相變存儲器 的 SSD;2013 年基于 45nm 工藝 1Gb 相變存儲器芯片實現量產;2015 年聯合 Intel 發布 3D Xpoint。

意法半導體 2009 年聯合恒億共同發布 90nm 工藝 4Mb 嵌入式相變存儲器芯片;2010 年，發布了《通過材料改性工程 N-GeTe 實現更好的熱穩定性及數據保持》;2013 年，發布了《通過材料改性工程 N-Ge-GST 實現 SET 與高低組保持的性能平衡》。

IBM 2011年發布了多值的相變存儲器操作算法，然后推出了基于 MIEC 材料選通的多層 crosspoint 存儲器。2014 年IBM 發布了6 位多值存儲電阻漂移的算法解決辦法，2016 年發布多值相變存儲器，進入 90nm工藝。國際其他產家，包括英特爾、臺積電等都有在其中做過相關工作。

我國新型存儲產業化能力及知識產權布局尚在起步階段，相變存儲器和阻變存儲器的專利從2000年左右開始逐漸增加，磁變存儲器相對更早，1990年開始有專利申請。

從2002年起，中科院上海微系統所就開始攻關下一代新型相變存儲器，并承接我國“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”、“973計劃”等相關任務。2011年，中科院上海微系統所、中芯國際、微芯等企業組建百余人產學研團隊，成功研發出擁有自主技術的相變存儲器，隨后進一步向工程化領域發展。

值得注意的是一家國產廠商——北京時代全芯存儲技術股份有限公司(以下簡稱“時代全芯”)，也在進行PCM的研發，其研發時間已超過10年，是國內現在唯一一家真正形成了PCM生產能力的半導體公司，也是第四代存儲器領域全球屈指可數具備自主研發和生產能力的半導體企業。

據悉，目前該公司產品已經由時代全芯(AMT)在淮安設立的工廠——江蘇時代芯存半導體有限公司(AMS)量產，正在進行良率爬坡，工程樣品已經通過多家客戶測試。根據介紹顯示，一期產品主要生產市場通用的EEPROM和Nor Flash，二期產品則主要生產永久內存及高性能閃存。

資料顯示，江蘇時代芯存PCM生產項目總投資130億元，一期投資43億元，于2016年9月28日落戶國家級淮安高新技術產業開發區，用時9個月實現廠房封頂，3月22日首臺設備進廠。項目全面建成后將達到年產10萬片12英寸相變存儲器的產能，年可實現銷售45億元，目前該項目一期已具備年產6萬片的生產線。從2016年9月落戶淮安以來，時代芯存保持了相當快的項目推進速度。目前我國PCM技術發展與國際巨頭尚有一些距離，更應當以市場為導向，以產業為主體，結合已有研發團隊，快速推進新型存儲產業化。同時避免盲目上規模。當然也要注意產業上下游協同發展。鼓勵整機、CPU、存儲企業主體聯合參與，推動新型存儲產業鏈快速成型。

總結

如今，存儲市場被三星、SK海力士、美光等存儲巨頭壟斷。國產廠商想要進入該市場難上加難。但新型存儲產業尚未成熟，機遇大于挑戰。產業格局上，相對于傳統的DRAM和NAND Flash，新型存儲尚未形成行業壟斷，產品路線也不夠明朗。

我國在這一領域具有換道超車的可能。技術上，未來存儲技術路線尚不明確，存在技術追趕甚至反超的機遇。市場上，隨著我國在5G、人工智能等新興領域的快速發展，存儲需求呈現爆發式增長，有足夠廣闊的新型存儲潛在市場。

在時代全芯這類發展如PCM這樣新型存儲的廠商以及長江存儲、紫光以及合肥長鑫等發展DRAM、NAND Flash等主流存儲的廠商共同努力下，定能以星星之火掀起燎原之勢。(文章來源：半導體行業觀察)

免責聲明：市場有風險，選擇需謹慎!此文僅供參考，不作買賣依據。

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