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全球闪存产业发展态势及新一代非易失性存储技术演进
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  作为半导体产业的风向标,存储器2015年全球收入达793亿美元,占据近四分之一的半导体市场。其中,闪存收入308亿美元,占存储器产业39%的份额。闪存性能远高于传统磁盘,在移动设备、服务器等领域渗透率不断提高,过去十年,闪存年复合增长率达到10%,预计未来5年仍将保持7.3%左右的增长,远超其他细分市场。与此同时,新一代非易失性存储技术层出不穷,众厂商也在加紧布局。目前,我国存储器产业基本空白,亟需把握3D NAND闪存和新一代非易失性存储发展机遇,实现存储器产品自主可控。

  全球闪存产业发展态势

  平面结构遭遇发展瓶颈,闪存技术加速迈向3D结构

  平面结构闪存接近制程极限,成本控制不佳。平面浮栅型金属氧化物晶体管发展了40年,工艺制程不断微缩,基于平面浮栅结构的NAND闪存已经达到1y nm节点,各大厂商正积极推进1z nm投产。但随着特征尺寸不断减小,存储单元间串扰增大、单元存储电荷量下降等因素导致器件可靠性降低;同时平面尺寸微缩的工艺成本控制不力,利润空间越来越小。

  闪存产业加速向3D NAND转移。3D NAND闪存采用纵向堆叠方式,不再受制于制程节点限制,密度更大降低单位容量成本。从2013年3D NAND闪存出现开始,全球3D NAND闪存出货量逐年增长,三星和美光已经实现量产,其他厂家纷纷推出有竞争力的闪存样品。结合厂商调研和业界判断,3D NAND闪存出货量将在2017年中到2018年左右超过传统2D NAND闪存。

  3D NAND闪存正迈向64层时代。三星在2013年成功研制24层3D V-NAND开启全球3D NAND Flash市场,2016年三星宣布第四代3D V-NAND即64层3D NAND闪存最早年底量产,采用TLC结构单晶粒最大容量64GB。其他厂商加快追赶步伐,西部数据联合东芝在日本工厂试产64层TLC 3D NAND闪存,预计最早2017年上半年能够实现量产。3D NAND堆叠层数增加得益于高纵深比刻蚀等工艺的成熟,从而厂商能以低成本实现更大容量、更高性能和更好的可靠性。

  四大阵营垄断全球市场,生产装备及主控芯片成为生态焦点

  根据Gartner数据显示,2015年,三星、东芝/闪迪、英特尔/美光、海力士形成四大阵营,六家公司合计占据全球NAND闪存市场超过99%的份额,其中三星占比32.6%,东芝和闪迪占比36.4%,美光和英特尔占比18%,SK海力士占比11.9%。

  从生态角度而言,主控芯片逐渐成为竞争焦点,3D闪存的制备工艺出现显著变化。其一,主控芯片作为存储产品的核心器件具有一定的灵活性和定制性,众多应用产品厂家纷纷自研主控芯片,市场竞争激烈;其二,3D NAND闪存生产过程中刻蚀和淀积设备占总设备投资的60%,相比于1x nm平面NAND闪存仅34%的占比提升了近一倍,新的设备部署给半导体设备商带来机遇。

  新一代非易失性存储技术演进态势

  当前,非易失性存储技术的革新除了由平面转为3D以外,学术界和产业界正积极研发新型存储器件,改变传统电荷存储方式,采用多样化材料,以突破存储瓶颈。业界普遍认可的新型非易失性存储包括相变存储器(PRAM)、磁性存储器(MRAM)和阻变存储器(ReRAM)等,具备密度高、功耗低、读写快、反复操作耐受力强等特点。

  新一代非易失性存储技术弥补存储层级鸿沟,助推新兴应用发展

  新一代非易失性存储器将改变传统存储体系结构。现有计算机系统存储层级中,内存性能好但容量相对较小,外存容量大但性能无法匹配CPU计算速度,内外存之间巨大差异导致了设备性能瓶颈。新型非易失性存储器将有效弥补内外存之间的鸿沟,集外存的大容量低成本和内存的低时延高性能于一身。

  新型非易失性存储器显著提升计算能力,推动人工智能等应用发展。新型非易失性存储高于传统外存的性能将使得计算速度更快,更适合加载虚拟化应用,推动ICT网络云化进程。同时,在前沿领域,尤其是阻变器件(ReRAM)不仅能以存储器的形态存在,在非线性区具有连续可变的中间阻态。这种特性类似生物突触的功能,利用其构建神经网络处理系统,将加速人工智能应用落地。

  国际主流存储厂商积极布局下一代技术,抢占战略高点

  国际大厂加快研发新技术,3D XPointTM或率先实现量产。2015年7月,英特尔联合美光推出了3D XPointTM存储方案。英特尔和镁光将分别基于3D XPointTM推出自有产品,英特尔Optane固态存储预计2016年末上市,镁光QuantX产品预计于2017年第二季度面向数据中心应用推出,将拥有四倍于DRAM的存储密度,十倍于NAND闪存的IOPS,十分之一于NAND闪存的延迟。IBM苏黎世研究中心多年来致力于研发相变存储器,实现每单元3个比特位的数据存储,显著降低了相变存储的成本。Samsung和IBM在磁阻存储器方面也取得突破,低功耗、高密度、高性能的表现远超过闪存甚至接近DRAM。

  我国闪存产业现状及发展对策

  (一)我国存储市场需求大,自给能力不足

  我国存储器市场大,但产业对外依存度高。随着我国智能终端、云计算、大数据产业的快速发展,国内存储器市场需求持续扩张。DRAMeXchange预计,2017年中国市场NAND Flash消耗量将占全球30%以上,2020年将占全球40%。相对于国内巨大的市场需求,我国存储器产业仍处于基本空白状态。从国家信息安全角度看,存储芯片国产化进程亟需加速。随着信息化进程的不断加速,数据已经成为个人乃至国家的重要资产,存储器作为海量数据载体,重要性日益凸显,必须加快研发以弥补产业空白。

  (二)我国存储产业发力,自主技术攻关难度大

  强强联合,国内开启闪存发展征程。当前,闪存技术发展进入2D NAND向3D NAND切换期,在政府的大力支持下,国产企业加快布局。武汉新芯是国内唯一一家以存储器为主的集成电路制造企业,2014年联合Spansion组建研发团队,共同开发3D NAND Flash技术。2016年7月,紫光集团与武汉新芯合并成立长江存储,充分整合资源和产业力量,以3D NAND Flash为切入点,目标在2020年实现月产能30万片,大幅提升我国存储芯片自给能力。

  制程工艺落后,关键技术突破存在难度。2015年9月,武汉新芯具有9层结构的3D NAND存储取得技术突破。然而就国际厂商的经验来看,3D NAND闪存制程工艺技术需要长时间积累方可成熟,除了三星和美光,其他厂商都受限于技术和成本问题迟迟未量产,国产厂商仍存在至少三年的技术差距。同时,存储器产业高度垄断,后发切入难度很大,需投入巨额的研发和生产线建设资金,进而通过扩大产能来压低成本,挤占市场。

  存储器产业发展不会一蹴而就,需要长期的资本投入,稳定的政策扶持和持续的技术积累。我国应充分当把握NAND Flash从平面向3D技术转化的机遇,超前布局新一代非易失性存储技术,力争追赶甚至赶超国际领先厂商。集中力量培育存储龙头企业,鼓励企业通过收购并购、技术合作等方式加快实现核心技术突破。同时,应充分重视集成电路相关专业人才培养引进,为我国存储产业发展添砖加瓦。

  作者简介:

  李木:就职于中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所

  袁媛:就职于中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所

  联系地址:北京市海淀区花园北路52号电信科研大厦A座

  联系方式:limu@caict.ac.cn、yuanyuan1@caict.ac.cn


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