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存儲芯片行業展開新一輪技術升級競爭

时间:2019-11-10     【转载】

幾家邏輯IC廠商之間的競爭使得7nm、5nm、3nm……制造工藝盡人皆知。但是人們不應忽視存儲芯片廠商間的技術之爭同樣極其激烈:3D NAND堆疊已經上看128層,DRAM工藝微縮已達1z(12-14nm),3D XPoint、ReRAM等新一代存儲技術被重點開發。技術升級一向是存儲芯片公司間競爭的主要策略。日前,筆者參加了美光科技舉辦的技術大會“Mircon Insight2019”,會上對存儲領域新的技術趨勢進行了相對深入的剖析。從此亦可窺見,存儲芯片大廠間的新一輪技術升級之爭正在展開。

技術升級加速

技術升級一向是存儲芯片公司間競爭的主要策略。存儲芯片具有高度標準化的特性,且品種單一,較難實現產品的差異化。這導致各廠商需要集中在工藝技術和生產規模上比拼競爭力。因此,每當市場格局出現新舊轉換,廠商往往打出技術牌,以期通過新舊世代產品的改變,提高產品密度,降低制造成本,取得競爭優勢。

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根據集邦咨詢發布數據,第三季度DRAM市場價格已經扭轉原先的跌勢,轉為持平,其中8月DRAM合約價與前月持平,DDR4 8GB均價來到25.5美元。至于NAND閃存市場,上季度便已扭轉了下滑的態勢。在智能手機、筆記本電腦以及服務器等需求面皆有所復蘇的情況下,NAND閃存市場已經擺脫此前一直出現的跌跌不休態勢,出現轉機。

目前多數存儲廠商均已開始看好明年市場的復蘇前景。在此情況下,美光、三星、SK海力士、英特爾等紛紛加大新技術工藝的推進力度,以圖通過新舊世代的產品交替克服危機,并在新一輪市場競爭中占據有利地位。

1z nm工藝

DRAM具有高密度、架構簡單、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技術開發,但目前為止,在片外系統當中DRAM仍然牢牢占據市場主流地位。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,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處理速度、降低工作電壓,以及增加每個硅片的DRAM產量,這也是各大制造商展開納米競爭的緣由。因此,在新一輪競爭當中,廠商間不斷通過工藝微縮,強化競爭優勢。

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根據“Mircon Insight2019”上的訊息,美光開始采用1z nm工藝批量生產16GB DDR4內存。美光科技執行副總裁兼首席商務官Sumit Sadana表示,采用1z nm工藝將改善DRAM性能并降低成本,產品密度更高,功耗更低。10納米級的DRAM制程分為1代(1x)、2代(1y)與3代(1z)。1z nm生產效率比前一代高出27%。

除美光外,三星電子、SK海力士也已成功開發1z工程。三星電子于3月完成1z DRAM的開發,并從9月開始量產。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。SK海力士在成功開發第2代10納米級工藝(1y nm)11個月后,近日再度取得新進展,成功開發第3代10納米級工藝(1z nm)的16G DDR4 DRAM。

3D NAND上看128層

3D化是當前NAND閃存領導發展的主要趨勢,各NAND閃存大廠都在3D 堆疊上加大研發力度,盡可能提升閃存的存儲密度。三星的第一代3D V-NAND只有24層,第二代為32層,隨后是48層……目前市場上的主流3D NAND產品為64層。今年8月三星電子再次宣布實現第六代超過100層的3D NAND 閃存量產。

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美光科技也于近期宣布流片128層的3D NAND,并有望于2020年生產商用化的3D NAND。在 “Mircon Insight2019”技術大會上,美光科技執行副總裁兼首席商務官Sumit Sadana表示,128層3D NAND如果被廣泛使用,將大大降低產品每比特成本。

SK海力士于年初宣布將投資大約1.22萬億韓元用于存儲芯片開發和生產。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堆疊層數將超過90層,再下一個階段為128層,到了2021年會超過140層。

新一代存儲技術

云計算與人工智能對數據的運算能力提出越來越嚴苛的要求,DRAM與NAND的存儲能力正在成為瓶頸,越來越多新一代存儲芯片被開發出來。因此,新一代存儲芯片的布局與開發也成為各大存儲公司角力的焦點。

美光科技副總裁Steve Pawlowski表示,美光是全球為數不多的 DRAM、NAND 和 3D XPoint 解決方案垂直整合提供商。存儲技術幾乎涉及所有細分市場,包括數據中心、自動駕駛、移動智能設備、物聯網等。應用需求的不同驅動算法的改變,算法的改動也推動存儲技術的革新!癕ircon Insight2019”技術大會上,美光科技正式宣布推出了基于3D XPoint技術的超高速SSD硬盤X100。這是美光產品系列中首款面向數據中心的存儲和內存密集型應用程序的解決方案,利用新一代3D XPoint存儲技術,在內存到存儲的層次結構中引入新的層級,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性能。

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三星則重點發展新一代存儲技術MRAM。今年年初,三星宣布量產首款可商用的eMRAM產品。三星計劃年內開始生產1G容量的eMRAM測試芯片,采用基于FD-SOI的28nm工藝。臺積電同樣重視下一代存儲器的開發。2017年臺積電技術長孫元成曾經透露,臺積電已開始研發eMRAM和eRRAM,采用22nm制程。這是臺積電應對物聯網、移動設備、高速運算電腦和智能汽車等四領域所提供效能更快速和耗電更低的新存儲器。

片上存儲技術

在“Mircon Insight2019”技術大會上,對存算一體技術也進行了探討。美光科技副總裁Bob Brennan表示,伴隨著邊緣計算、自動駕駛、數據中心、物聯網的發展,數據的產生和處理需求越來越多。在處理大數據過程中,由于數據量極大,處理數據時頻繁訪問外部存儲系統會降低運算速度。因此,改變當然存儲架構,實現存算一體的需求也就不斷提高。

所謂存算一體就是把存儲和計算結合在一起。具體來說,在傳統的馮•諾依曼結構中,計算單元和存儲單元是相互獨立的。在計算過程中,計算單元需要將數據從存儲單元中提取出來,處理完成后再寫回存儲單元。而存算一體就是省去數據搬運的過程,有效提升計算性能。相較于傳統芯片,存算一體人工智能芯片具有能耗低、運算效率高、速度快和成本低的特點。

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,存算一體技術尚難以達到傳統計算機馮•諾依曼結構的靈活性和通用性水平。存算一體技術需要利用將處理器和存儲器集成在同一芯片內,使之通過片上網絡相互連接。但是目前處理器與存儲器的制造工藝不同,若要在處理器上實現存儲器的功能,則可能會降低存儲器的存儲密度;若要在存儲器上實現處理器的功能,則可能會影響處理器的運行速度。但是隨著存儲廠商間新一輪技術升級,存算一體技術的發展仍然受到重視。

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