隨著人工智能、邊緣計算等迅速發(fā)展，存儲器需求迎來爆發(fā)式增長。據(jù)WSTS數(shù)據(jù)顯示，2024年全球存儲器市場規(guī)模達1670億美元，同比增長81%。但由于EUV等關鍵設備受美出口管制約束，我國DRAM和NAND Flash等主流存儲器在先進工藝技術代上的研發(fā)面臨巨大阻礙。在此背景下，PCM、RRAM、MRAM、FRAM等新興存儲器因具備高速讀寫、高耐用性、高能效等技術優(yōu)勢引發(fā)高度關注，未來有機會應用于更多領域。對此，本文深入分析新興存儲器的發(fā)展背景、特征、技術路線以及國內外研發(fā)布局情況等，提出北京發(fā)展新興存儲器的相關建議。
一、新興存儲器的發(fā)展背景
（一）從技術趨勢角度來看，主流存儲器發(fā)展面臨瓶頸
目前，全球存儲市場以DRAM和NAND Flash為主，據(jù)Tech Insights的數(shù)據(jù)顯示，DRAM在整個存儲器市場的占比約為56%，NAND Flash占比約為41%。DRAM由于其在成本、單元泄漏、電容、刷新管理等方面面臨挑戰(zhàn)，自進入10納米制程后，平面結構存儲單元的縮放受限。NAND Flash隨著堆疊層數(shù)的增加，沉積和刻蝕的均勻性更難保證，且隨著三維NAND Flash存儲密度的提高，高深寬比刻蝕技術挑戰(zhàn)愈加嚴峻，產(chǎn)品良率的穩(wěn)定性難以保障。
（二）從市場增速角度來看，存儲器依然面臨旺盛需求
在數(shù)字經(jīng)濟時代，數(shù)據(jù)成為核心生產(chǎn)要素，而存儲器作為數(shù)據(jù)存儲、處理和傳輸?shù)拿浇椋渥饔弥陵P重要。據(jù)Tech Insights預測，得益于人工智能及相關技術的加速采用，2025年存儲器市場將持續(xù)景氣增長，特別是DRAM和NAND兩大領域，或將成為半導體增速最高的領域。同時，新興存儲器作為存儲新賽道，也將保持增勢。據(jù)Global Info Research數(shù)據(jù)顯示，2031年全球MRAM市場規(guī)模將達到11.8億美元，預計2025年至2031年的CAGR為23.6%；2030年全球FRAM存儲器市場規(guī)模將達15.77億美元，2024—2030年CAGR為7.50%。
（三）從全球競爭角度來看，我國主流存儲器發(fā)展受限
目前，美國對我國的存儲技術限制逐步升級。美國商務部已將長江存儲列入“實體清單”，美國國防部也將長鑫存儲列入“涉軍企業(yè)清單”。2024年12月2日，美國商務部工業(yè)和安全局對《出口管理條例》進行了修訂，不僅強化了對HBM和先進DRAM的出口管制措施，還對制造先進存儲器的相關設備進行管制。此次修訂新增了對HBM技術參數(shù)的限制，還在存儲單位面積和存儲密度方面對先進DRAM進行重新定義。這一系列制裁導致我國在DRAM等存儲器工藝升級上舉步維艱，主流技術發(fā)展路徑面臨巨大障礙。
綜上，在市場需求牽引下，我國在攻克主流存儲器發(fā)展瓶頸的同時，亟須發(fā)展新興存儲器，探索通過新技術路徑彌補我國EUV光刻機等關鍵裝備受限的影響，助力我國存儲器產(chǎn)業(yè)的自主可控和穩(wěn)健發(fā)展。
二、新興存儲器的基本情況
新興存儲器是指為滿足新興應用場景對數(shù)據(jù)存儲在速度、功耗、容量、可靠性等方面的更高要求而研發(fā)的新一代存儲技術。目前，主流的研究方向包括相變存儲器（Phase-change memory，簡稱PCM）、阻變存儲器（Resistive Random Access Memory，簡稱RRAM）、磁性存儲器（Magnetoresistive Random Access Memory，簡稱MRAM）、鐵電存儲器（Ferroelectric Random Access Memory，簡稱FRAM）。
（一）新興存儲器的特征
目前，PCM、RRAM、MRAM、FRAM等新興存儲技術已從實驗室研究階段逐步邁向實際應用和產(chǎn)業(yè)化，取得了一系列技術突破，并實現(xiàn)部分成果的轉化落地。各類新興存儲技術在具有低功耗、非易失性、高速讀寫及兼容CMOS工藝等共有優(yōu)勢下，也因其獨特特性，應用于不同領域。其中，PCM因具備有效抗輻照性能，被應用于航空航天和國防等領域，但也因存儲密度過低、成本高、良率低，以及無法應用于寬溫場景等劣勢，尚未大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。RRAM因耐久性強和具備多位存儲能力，適用于智能汽車、邊緣計算等對高性能、低功耗、小型化、高密度、可嵌入方面需求較強的終端領域。MRAM因高集成度和抗輻射能力在航空航天、國防等領域應用潛力突出。FRAM在具備高可靠性等技術優(yōu)勢的同時，也面臨制造成本較高且成品率低的挑戰(zhàn)，因此適用于對讀寫速度和頻率要求高，但容量要求不高、使用壽命要求長的場景。
表1 存儲器的特性與應用領域
表格信息來源：北國咨根據(jù)公開信息整理
（二）新興存儲器的技術路線
PCM通過改變溫度，使硫化物材料在“非結晶態(tài)和結晶態(tài)”間進行轉換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)“1”和“0”存儲。英特爾長期致力于PCM研發(fā)，聯(lián)合美光推出的3D XPoint技術已商用。
RRAM通過在電極上施加電壓，使阻變材料內部離子發(fā)生遷移，改變阻變材料的狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。美國企業(yè)Crossbar在RRAM技術研發(fā)上處于領先地位，研發(fā)出一個晶體管一個電阻的器件結構以及三維堆疊式架構，并已實現(xiàn)量產(chǎn)。
MRAM基于自旋電子學，利用磁矩方向平行與否實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)，歷經(jīng)多年的技術演進，現(xiàn)已發(fā)展到第三代，分別為Toggle-MRAM、STT-MRAM（Spin transfer torque，STT）和SOT-MRAM（Spin orbit torque，SOT）。其中，日本東北大學持續(xù)優(yōu)化SOT-MRAM結構，攻克了“無磁場切換”和“寫入功耗”兩大瓶頸。Everspin聚焦MRAM技術研發(fā)，產(chǎn)品存儲容量覆蓋1Mb-1Gb。
FRAM以鐵電晶體材料為存儲介質，在外電場的作用下，因電場方向反轉導致極化方向不同，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。美國Ramtron公司持續(xù)開展FRAM材料、工藝等技術研發(fā)并量產(chǎn)，先后被賽普拉斯、英飛凌收購。英飛凌已將FRAM作為其產(chǎn)品線的一部分。
三、國內外企業(yè)在新興存儲器領域的布局情況
（一）全球新興存儲器領域百花齊放，各國企業(yè)爭相布局
美國企業(yè)率先搶占技術高地。IBM持續(xù)深耕SOT-MRAM技術，同時推進3D PCM研發(fā)，已發(fā)布28納米3D PCM測試芯片；美光則在嵌入式RRAM領域取得突破，其22納米嵌入式RRAM已成功應用于Nordic Semiconductor（無線物聯(lián)網(wǎng)解決方案企業(yè)）的物聯(lián)網(wǎng)芯片；Avalanche Technology專注MRAM技術研發(fā)，不斷強化美國在該領域的技術儲備。韓國企業(yè)側重產(chǎn)業(yè)化落地，三星推出176層3D PCM工程樣品，并將28納米嵌入式MRAM應用于高性能計算芯片；SK海力士則聚焦鐵電與相變存儲器，其28納米嵌入式MRAM已進入量產(chǎn)階段，商業(yè)化進程不斷加速。歐洲與日本企業(yè)選擇差異化突圍。德國英飛凌攜手臺積電，計劃將RRAM技術引入下一代微控制器，并在臺積電28納米節(jié)點流片；荷蘭恩智浦聯(lián)合臺積電推出業(yè)界首款車規(guī)級16納米嵌入式MRAM，搶占汽車電子市場先機；日本富士通聚焦MRAM與FRAM領域，其FRAM產(chǎn)品覆蓋130納米至55納米，在特定應用場景形成技術優(yōu)勢。
（二）我國新興存儲器多技術路線并行，部分領域優(yōu)勢明顯
北京充分發(fā)揮教育科技人才集聚優(yōu)勢，強化新興存儲器前沿技術探索與成果轉化。清華大學吳華強教授團隊聚焦RRAM及基于RRAM的存算一體架構，首次探究了基于RRAM陣列的存算通一體的可行性等。新憶科技（清華吳華強教授團隊孵化的企業(yè)）相關獨立式RRAM芯片、嵌入式RRAM IP和周邊的SOC產(chǎn)品，已實現(xiàn)手機屏幕、攝像頭、藍牙、無線耳機、助聽器、激光電視等領域的批量出貨。北京大學蔡一茂教授團隊專注于RRAM前沿領域研究，提出RRAM高密度單元結構、自限制三維集成等創(chuàng)新技術等。中國科學院微電子研究所劉明院士團隊深耕RRAM領域，建立了物理模型，提出并實現(xiàn)RRAM的基礎理論和關鍵技術方法，對提升RRAM在先進工藝節(jié)點下的應用具有指導意義。銘芯啟睿（中國科學院微電子研究所劉明院士團隊孵化的企業(yè)）重點布局面向AI大模型場景的混合異構存算系統(tǒng)產(chǎn)品，以及嵌入式IP和獨立式存儲芯片產(chǎn)品，并在嵌入式IP和獨立式RRAM芯片方面實現(xiàn)商業(yè)化供應。北京航空航天大學趙巍勝教授團隊聚焦于MRAM技術研發(fā)，近五年以第一或通訊作者已發(fā)表論文300余篇。致真存儲（北航趙巍勝教授團隊孵化的企業(yè)）在北京和青島分別設立研發(fā)中心，并在青島西海岸新區(qū)建設8英寸和12英寸MRAM生產(chǎn)線。
以上海為核心的長三角地區(qū)在PCM、RRAM、MRAM領域均具備一定產(chǎn)業(yè)化能力。中國科學院上海微系統(tǒng)所在PCM材料環(huán)節(jié)實現(xiàn)突破，現(xiàn)已推出3D PCM樣品。昕原半導體自主建設的12英寸28納米RRAM生產(chǎn)線已順利通線。舜銘存儲聚焦FRAM領域，聯(lián)合積塔半導體，已成功推出110納米FRAM產(chǎn)品。睿科微電子聯(lián)合昇顯、維信諾完成世界首顆嵌入式RRAM存儲技術AMOLED顯示驅動芯片的開發(fā)和認證。馳拓科技已開發(fā)獨立式MRAM存儲芯片和嵌入式MRAM IP等產(chǎn)品。
表2 全球及我國新興存儲器布局現(xiàn)狀
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四、對北京發(fā)展新興存儲器的建議
當前，存儲技術創(chuàng)新已成為大國博弈競爭的焦點。北京作為我國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展核心區(qū)域之一，在存儲技術新路線方面有基礎、有資源、有條件開展原創(chuàng)技術探索及成果轉化，需采取積極舉措加快將研發(fā)優(yōu)勢轉化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。
一是設立新興存儲器專項，給予產(chǎn)業(yè)全鏈條的支持。強化頂層設計，通過政策引導，支持京內重點集成電路制造企業(yè)加快嵌入式RRAM、MRAM等關鍵工藝的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。支持高校院所、企業(yè)等各類創(chuàng)新主體強化新興存儲器核心技術聯(lián)合攻關，加速RRAM、MRAM、FRAM等各類新興存儲器在材料、器件、工藝、架構、算法、芯片及系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展。
二是推動新興存儲器前沿材料及器件等技術成果轉化。圍繞北京在RRAM、MRAM等新興存儲器領域的研發(fā)優(yōu)勢，推動鉿基鐵電等FRAM前沿材料以及RRAM相關器件創(chuàng)新成果在京轉化落地。著力推動北京央國企對新興存儲器開放應用場景，通過對新技術新產(chǎn)品的驗證應用，加快前沿技術成果落地，促進新興存儲器規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
三是加強高校新興存儲領域的人才培養(yǎng)，加快新興存儲領域的隊伍建設。持續(xù)推動高校院所增設新興存儲領域的實驗室、選修課程等，擴大新興存儲領域的人才培養(yǎng)規(guī)模。通過靈活有效的激勵政策、多角度的人才政策，持續(xù)吸引國外優(yōu)秀人才，不斷提升企業(yè)創(chuàng)新能力和國際競爭力。
作者介紹
陳靜文
咨詢師
長期關注以集成電路為代表的新一代信息技術領域，參與多項集成電路領域課題研究、項目咨詢及評估評審工作。
編輯：張 華
審核：趙佳菲
