本文系基于公開資料撰寫，僅作為信息交流之用，不構(gòu)成任何投資建議。

有人說，聽你一直說新型存儲如何如何，科普下唄。

好吧，我就從我所掌握的信息給大家講一下我的觀點。這些觀點不成為各位看官老爺買賣股票的理由。

我判斷，也許2年內(nèi)，不知道什么時候，新型存儲有可能成為下一個半導(dǎo)體板塊的熱點（炒作）題材——就像四年我預(yù)判碳化硅，氮化鎵那些化合物半導(dǎo)體一樣，我認(rèn)為一定會有這樣的機會存在，屬于提前2年預(yù)判市場的預(yù)判。

01

存儲行業(yè)的現(xiàn)狀

存儲器，英文就是Memory，記得有個網(wǎng)劇神字幕：海記憶體知己，天涯若比鄰。因為內(nèi)存在日本，中國地區(qū)翻譯成記憶體，所以會出現(xiàn)這種怪異的臺詞字幕。

這簡直是用“如果”這個詞造句——牛奶不如果汁好喝的既視感。

從存儲的介質(zhì)上來講，有磁盤，有光盤，有利用電荷特性的半導(dǎo)體存儲技術(shù)等等，當(dāng)然今天聊的是半導(dǎo)體存儲特性。

從讀取性質(zhì)又能分RAM隨機性和ROM只讀。 從是否斷電能保存數(shù)據(jù)，又分為易失性和非易失性。 從實際產(chǎn)品上講，易失性的主要產(chǎn)品就是DRAM和SRAM，它們速度很快，但是斷電不保存數(shù)據(jù)了，所以叫易失性存儲。

SRAM是靜態(tài)隨機存取存儲器，它的速度非?？?，但是需要浪費大量晶體管來存儲數(shù)據(jù)，現(xiàn)在SRAM作為單獨的芯片幾乎看不到了，大多早就被整合到SoC核里，變成L2緩存了。

DRAM叫“動態(tài)隨機存取存儲器”，也就是常說的內(nèi)存條，而大家看到的DDR5內(nèi)存，實際是指DDR SDRAM 第5代內(nèi)存技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。DDR只是DRAM其中的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

國產(chǎn)長鑫內(nèi)存條，你不買我不買，國產(chǎn)存儲怎么發(fā)展？

非易失性是就是指斷電能繼續(xù)保存數(shù)據(jù)的，也就是各類FLASH，翻譯過來就是閃存，它的作用和傳統(tǒng)機械式硬盤一樣，永久保存各類數(shù)據(jù)。

長江存儲的致鈦系列固態(tài)硬盤

FLASH也有兩大類，NAND 和Nor，其中NAND占絕對主導(dǎo)。比如我的手機是128G的容量，這個容量就是由NAND提供的。NAND FLASH的成本已經(jīng)降低到非常低的水準(zhǔn)，我看了一下，現(xiàn)在1T的固態(tài)硬盤也就300塊錢左右，價格和1T的機械硬盤沒啥區(qū)別，所以NAND的固態(tài)硬盤對傳統(tǒng)機械式硬盤已經(jīng)全面替代了。

Nor容量不大，速度也不快，但是可以支持芯片內(nèi)執(zhí)行。說白了Nor上可以灌系統(tǒng)，程序和算法，而且這些程序在直接在Nor內(nèi)部就能運行，不需要拷貝到RAM（內(nèi)存）再進(jìn)行處理，因此省下了RAM這個器件，所以Nor在一些嵌入式領(lǐng)域用途十分廣泛，Nor和其他處理器芯片比如MCU綁在一起做一個小方案內(nèi)部就能執(zhí)行程序，且無需RAM，因此在工控領(lǐng)域用的非常多，當(dāng)然TWS藍(lán)牙耳機爆發(fā)，Nor也受益不少。

非易失性的除了FLASH，之外還有EEPROM，OTP等小眾產(chǎn)品，這類芯片占比更小，EEPROM是電子可擦寫式的只讀存儲器，只在類似門禁卡，測量儀器，水表，煤氣表，遙控器之類的地方有應(yīng)用。

總結(jié)起來就一句話，DRAM和NAND FLASH占市場的絕對大頭占到95%，Nor和其他類占小頭只有5%都不到。

整個存儲市場在2022年總規(guī)模達(dá)到1334億美金，占到整個集成電路市場的23%，是集成電路里最大細(xì)分領(lǐng)域。所以整個存儲器的漲跌，會極大影響整個半導(dǎo)體市場的表現(xiàn)，堪比CPI，China Pig index。

上一輪的存儲大周期是從2015年-2018年智能手機爆發(fā)式增長大年帶起來的節(jié)奏。2018年巔峰期整個存儲行業(yè)市場規(guī)模超過1700億美金，但是去年就不行了，由于智能手機出貨量和巔峰期相比削掉了足足三成，因此存儲也下滑到只有1300多億美金的市場規(guī)模。

但是目前來看，AI，高性能計算，大數(shù)據(jù)模型的訓(xùn)練等市場的爆發(fā)，又望再次帶起存儲的景氣周期，今年預(yù)計整個存儲又能到1400億美金左右的規(guī)模。這就是我此前文章說的問題。這點上我越來越樂觀，存儲周期拐點已經(jīng)是非常確定的，三個月內(nèi)自然見分曉。

所以，盡管都是半導(dǎo)體，但是每個細(xì)分市場的冷暖周期并不完全一樣。

存儲器就像大宗商品，隨著整個經(jīng)濟(jì)冷暖周期漲跌起伏巨大，而功率半導(dǎo)體更像是一個穩(wěn)定增長的市場。得力于新能源和新能源汽車的雙輪驅(qū)動，目前每年穩(wěn)定增長15%-20%，功率半導(dǎo)體更像是你家吃的鹽，雖然總量占比不多，但是隨著人口增加而穩(wěn)定增長。

02

存儲器的制約

既然今天要講新型存儲，肯定是原有的存儲方案和技術(shù)有不完美的地方，所以需求方在尋找更好的替代方案，這才有新型存儲的發(fā)揮空間。

從系統(tǒng)的角度講，內(nèi)存DRAM和NAND之間速度差別非常大，但是性質(zhì)又完全不同，NAND是非易失性的永久保存數(shù)據(jù)得靠它，但是這速度起不來始終是個大問題，會成為系統(tǒng)瓶頸。

DRAM的提速已經(jīng)有了完美的解決方案，就是HBM。

從系統(tǒng)的角度考慮講，隨著高性能計算，AI大數(shù)據(jù)模型訓(xùn)練，大量數(shù)據(jù)計算對CPU/GPU和DRAM之間的通信變的非常重要，在這種背景下，HBM內(nèi)存+TSV通孔硅直連的方案開始崛起。有一個算一個，從英偉達(dá)，AMD到英特爾，早已經(jīng)開始玩這些東西了。

HBM是幾顆DRAM顆粒進(jìn)行堆疊，能提供超強的傳輸速度。

在2022年1月份，JEDEC組織發(fā)布了HBM 第三代的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，編號JESD238。

單針腳傳輸率為6.4Gbps，配合1024-bit位寬，單顆最高帶寬可達(dá)819GB/s，4顆就是3.2TB/s，6顆可達(dá)4.8TB/s。

獨立通道從8翻倍到16個，再加虛擬通道技術(shù)單顆支持32通道。 支持4層/8層/12層 TSV通孔硅堆棧技術(shù)，未來會拓展到16顆內(nèi)部堆疊。

目前主流的12顆堆疊帶寬能提供驚人的896GB/s，各位要知道這已經(jīng)是普通DDR5 內(nèi)存的十幾倍！當(dāng)然價格也很嚇人，這個成本普通用戶是用不起的，只有那些云計算，數(shù)據(jù)中心的大公司才玩得起。

海力士的HBM3產(chǎn)品

只有這種性能的內(nèi)存才能滿足那些變態(tài)的高性能處理器，才能讓內(nèi)存不成為系統(tǒng)的短板。

當(dāng)然HBM嚴(yán)格意義上并不是新型存儲，它是原有內(nèi)存技術(shù)的一次升級，通過多顆裸Die堆疊，提供恐怖的傳輸速度和帶寬。

HBM3產(chǎn)品落地后，再加上把SoC和HBM內(nèi)存直接封裝到一起，顯然內(nèi)存不再是系統(tǒng)瓶頸，大數(shù)據(jù)存放的NAND FLASH才是。

那NAND怎么發(fā)展呢？

03

新型存儲技術(shù)百花齊放

NAND FLASH也就是目前普及的固態(tài)硬盤，它比機械硬盤速度快多了，而且工作的時候可靠性更強（機械硬盤很容易壞），但是它們在海量的數(shù)據(jù)存儲讀取擦寫面前依然不夠強大。

目前企業(yè)級用的固態(tài)硬盤，大多是SLC的NAND固態(tài)硬盤。

所謂SLC，MLC，TLC，QLC的意思是每一個Cell能表示幾位比特的信息，SLC就是1個，MLC是2個，TLC是3個，QLC是4個。

顯然同一個Cell單元要表示4比特的信息要比1比特容量大很多，但是隨之而來的問題是電壓太接近，一旦有干擾就很容易發(fā)生錯誤。因此QLC雖然成本最便宜，單位存儲密度最高，但是它的尋址時間，讀取時間，擦寫時間，可讀寫次數(shù)壽命等性能指標(biāo)都是最差的。

SLC的存儲密度，單顆NAND可用容量是最低的，但是各方面性能是最強的，和QLC剛好相反。當(dāng)然企業(yè)級用戶，要的不是性價比，人家追求的是極致性能。容量不夠？那就再加錢唄，上更多的固態(tài)硬盤。

但是NAND無論怎么提升，讀寫速度極限擺著這里，有沒有更快，更好的方案？

于是各種新型存儲的技術(shù)開始百花齊放，包括PCM，MRAM，F(xiàn)eRAM，RRAM等。

下面一個個介紹，順帶科普，如果說法有錯誤，往大佬指正。

04

生不逢時的PCM

PCM是第一個商業(yè)化的新型存儲技術(shù)，但是它遇到了英特爾高管制定的失敗到家的產(chǎn)品策略。

PCM是相變材料phase change material，是指在物質(zhì)發(fā)生相變時，可吸收或釋放大量能量(即相變焓)的一類材料。由于相變材料是利用潛熱儲能，儲熱密度大，蓄熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，并且在相變過程中本身溫度基本不變，易于管理，現(xiàn)在成為新型存儲的一個主要方向。

PCM存儲器是一種高性能、非易失性存儲器，基于硫?qū)倩衔锊ＡУ男滦痛鎯ζ?。與基于NAND的傳統(tǒng)非易失性存儲器不同，PCM可以實現(xiàn)幾乎無限數(shù)量的寫入。此外，PCM器件的優(yōu)勢還包括：訪問響應(yīng)時間短、字節(jié)可尋址、隨機讀寫等，也是諸多被稱為能夠“改變未來”的存儲技術(shù)之一。

從2006年開始，英特爾和美光搞了將近十年，直到2015年，驚艷亮相，取名3D Xpoint，英特爾的傲騰存儲系列中部分型號的就用上3D Xpoint 相變存儲器。

圖片來自網(wǎng)絡(luò)

PCM相變存儲對比原來NAND FLASH有更快的讀寫速度，幾乎永久的使用壽命，存儲密度極高，而且有特殊的抗輻照特性在國防軍工領(lǐng)域有特殊應(yīng)用，當(dāng)然由于相變材料的原因功耗大于普通NAND，最大優(yōu)點便是速度直逼DRAM，遠(yuǎn)超當(dāng)下的NAND，讓NAND的尾車燈都看不到的那種，同時在斷電的情況下可永久保存數(shù)據(jù)，相當(dāng)于DRAM和NAND FLASH功能二合一。

聽起來很厲害對吧，雖然二合一看起來可厲害了，但是反過來說，到PCM定位到底是替代DRAM呢？還是替代NAND呢？還是介于兩者之間的一個補充？

顯然，PCM和DRAM相比，除了價格，全是缺點；PCM和NAND相比，除了價格，全是優(yōu)點。

這就尬住了，你是把PCM當(dāng)硬盤用，還是當(dāng)內(nèi)存用？這個定位有點謎??！

企業(yè)級用戶當(dāng)內(nèi)存用嫌它慢，當(dāng)NAND用，又嫌棄它貴，同理普通消費級用戶，花這么貴的價格上PCM相變存儲圖啥？

不管如何，英特爾當(dāng)年也確實把它商業(yè)化了。

圖片來自英特爾

英特爾把這東西定位于DRAM和固態(tài)硬盤之間的融合。

從上面這個圖大家也能看出來，PCM比DRAM速度略慢，但是能永久保存數(shù)據(jù)，它和NAND同樣能斷電保存數(shù)據(jù)但是速度快很多，且讀寫壽命和隨機讀寫性能是碾壓NAND的，唯一的缺點是大容量傳輸?shù)臅r候和NAND比沒有明顯優(yōu)勢。

英特爾為3D Xpoint技術(shù)找了兩個產(chǎn)品落地點。

第一、是針對數(shù)據(jù)中心客戶提供傲騰持久內(nèi)存產(chǎn)品，它將3D Xpoint技術(shù)封裝到內(nèi)存條中，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DRAM內(nèi)存，傲騰DIMM比DRAM擁有更高的位密度，并且擁有持久性和非易失性特性，在斷電之后也不會丟失數(shù)據(jù)，依賴于大內(nèi)存工作的數(shù)據(jù)中心可以更快在重啟中實現(xiàn)快速響應(yīng)，這在以往是不敢想象的。

第二、是給服務(wù)器和客戶端PC市場提供高性SSD產(chǎn)品，為其提供當(dāng)時HDD和SSD都不具備的高速緩存表現(xiàn)。

但是成本上的缺點和產(chǎn)品定位上的錯誤，直接把3D Xpoint 按死在地板上。

3D Xpoint設(shè)計雖然可以通過層級堆疊實現(xiàn)更高的容量，但是3D Xpoint每比特的制造成本遠(yuǎn)高于NAND，因此和最貴的SLC的NAND SSD固態(tài)硬盤比，傲騰的價格還是高高在上。

再加上英特爾非常封閉，又不開放IP，又不開放技術(shù)讓別人代工，連和英特爾合作開發(fā)3D Xpoint的美光鬧了半天也沒有拿到任何核心東西。

沒人陪你玩，就不可能通過大規(guī)模投入來拉低成本把整個行業(yè)做大，技術(shù)再好也難以推廣，畢竟商業(yè)市場，拋開成本談技術(shù)是耍流氓行為。

但是英特爾當(dāng)時還沒有感受到生存危機，不敢做出違背祖宗的決定，于是一直這么狹隘封閉。

所以真正的數(shù)據(jù)中心以及企業(yè)級用戶覺得PCM有點雞肋，但是好歹還有不少其他高端用戶可以用啊。

于是英特爾決定推出一款小容量的，價格還勉強能接受的產(chǎn)品，叫傲騰900。

然后這個時候英特爾又干了一件更難以描述的事：竟然想讓16G/32G傲騰來加速機械硬盤，還取了名字叫“傲騰內(nèi)存”，然后還很沙雕的和客戶特意解釋：“這個內(nèi)存不是真正的內(nèi)存，是插在M.2接口上給傳統(tǒng)HDD機械硬盤加速的?！?/p>

我服了這智商。

M.2接口，在主板上一般就一個，很寶貴，正常人一般都會插一塊M.2接口的SSD固態(tài)盤會當(dāng)系統(tǒng)盤用，誰會想到給機械硬盤當(dāng)加速盤/緩存盤用？

而且這個價格比普通SSD貴多了，沒有任何性價比，效果也一般。

而且英特爾還偷懶，根本不想開發(fā)專門的主控，實際上就是把一個小容量傲騰和第三方主控的QLC SSD整合到一起，安裝到電腦后還要設(shè)置一番，否則就只能在系統(tǒng)中看到兩個獨立的盤，一個傲騰、一個QLC SSD。

見過雞肋的產(chǎn)品，但沒見過這么雞肋的。

所以3D Xpoint技術(shù)推出以來，盡管技術(shù)非常驚艷，但是商業(yè)化非常緩慢，市場叫好不叫座，產(chǎn)品線始終處于虧損狀態(tài)。產(chǎn)品定位不清楚，讓3D Xpoint根本沒有很好的應(yīng)用場景，始終沒有客戶埋單。

2021年，美光在對英特爾徹底失望了。在合同到期后，宣布將把位于美國猶他州Lehi廠的原來生產(chǎn)3D Xpoint芯片工廠出售給德州儀器，這筆資產(chǎn)出售的的交易價格為15億美元，而十年間英特爾前前后后的巨額投入全部打了水漂。

2022年英特爾出售了自己旗下的存儲業(yè)務(wù)給海力士，從此這個以內(nèi)存起家的英特爾徹底告別了存儲市場了。

驚艷一時的 3D Xpoint PCM相變存儲器就這樣落幕了。

想當(dāng)年，英特爾在奔騰4剛開始時候，強行捆綁銷售i850主板和Rumbus內(nèi)存條。盡管RumBus的內(nèi)存技術(shù)非常強，遠(yuǎn)強于當(dāng)時普通的SDRAM，但是由于過于封閉的生態(tài)，高昂的換制程成本，導(dǎo)致所有內(nèi)存廠都無法接受，連紅極一時的奔騰4處理器都差點搭進(jìn)去，最后不得不揮淚砍掉，所以同樣的錯誤，英特爾犯了兩次。

所以說PCM是個非常有創(chuàng)意的新型存儲技術(shù)，只可惜它誕生于英特爾，生不逢時的PCM就這樣隕落了。

05

蓄勢待發(fā)的MRAM

MRAM是Magnetic Random Access Memory，中文名稱“磁性隨機存取存儲器”，它的核心是MTJ，Magnetic Tunnel Junction，中文名稱“磁性隧道結(jié)。

MRAM的技術(shù)核心原理是“自旋電子學(xué)”，這技術(shù)可是獲得了2007年諾貝爾物理學(xué)獎！所以MRAM也算是自旋電子學(xué)理論發(fā)展的重要產(chǎn)物。

不同于半導(dǎo)體存儲技術(shù)利用的是電子的電荷特性，MRAM利用的是電子自旋特性實現(xiàn)存儲功能，也就是說自旋磁性方向會出現(xiàn)不同的電阻特性，低電阻和高電阻，這兩種截然不同的電阻狀態(tài)來代表二進(jìn)制的“0”和“1”。

從自身特性講，MRAM具有非易失性、讀寫速度快、能耗低、集成密度高、耐久力強、天然抗輻射和隨工藝節(jié)點等比微縮等優(yōu)點，等于兼具Flash的非易失性、媲美DRAM的高速讀寫特性、媲美FeRAM的極高擦寫次數(shù)，在工業(yè)控制、企業(yè)級存儲、人工智能、汽車電子、高可靠等應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

優(yōu)點總結(jié)下來有以下幾點：

1、MRAM能耗很低，其工作電壓和邏輯電壓差不多在1.1V左右，遠(yuǎn)低于eFLASH的8-10V，且寫入過程不需要先擦寫。MRAM在改善功耗方面遠(yuǎn)超硅基SRAM和NAND，特別適用于部署在邊緣端設(shè)備。

2、速度快，耐久強。MRAM可以達(dá)到納秒級別，高于eFLASH的微秒級別.

3、集成度高于硅，隨著工藝等比微縮，具有良好的成本優(yōu)勢。MRAM只需要一組隧穿結(jié)就能是存儲單元，而SRAM的6個晶體管代表一個存儲單位，而且MRAM隨著工藝微縮可以做到7nm以下，但是FLASH在因為自身物理機制限制，28nm以下就比較困難了，因此存儲密度優(yōu)勢非常明顯。

最關(guān)鍵的是MRAM工藝方面比PCM友好太多了，80%以上的工藝和CMOS工藝兼容，只有在頂層金屬互聯(lián)方面磁性存儲部分需要一些特殊的工藝，但是整體也僅僅增加了3層額外掩膜而已。

MRAM并不是很新的技術(shù)，和PCM一樣，在業(yè)內(nèi)已經(jīng)探索十余年了，到現(xiàn)在市場也慢慢接受了MRAM，至少大家普遍認(rèn)為MRAM在28nm以下的嵌入式存儲技術(shù)上是不錯的解決方案，因此便成為eFLASH和eSRAM，L3以及層級緩存的應(yīng)用的最佳替代方案。

所以相比PCM的定位模糊，MRAM就非常明確，我要替代eFLASH和部分SRAM功能，最直接的說法就是對Nor 進(jìn)行降維打擊。

從商業(yè)模式上而言，MRAM可以直接賣知識產(chǎn)權(quán)IP，在FAB給客戶制造的時候直接抽成，也可以直接做成芯片，替代Nor FLASH。當(dāng)然賣IP賺不了大錢，賣芯片能賺更多，但是要考慮終端應(yīng)用場景，得搞成pin-to-pin，讓現(xiàn)有Nor客戶能直接無縫銜接，畢竟人家積累的多年的代碼要灌進(jìn)去。

不過根據(jù)灑家行業(yè)內(nèi)了解情況是，現(xiàn)在MRAM用量太小，能代工的FAB非常有限，而且MRAM特殊的工藝，有和其他產(chǎn)品交叉污染的風(fēng)險。 雖然早在好幾年前三星，臺積電，包括國內(nèi)一些FAB都開發(fā)出來了相對應(yīng)的工藝包，但是實際上并沒有大規(guī)模量產(chǎn)的經(jīng)驗。

磁性材料的需要特殊的設(shè)備，國內(nèi)有家半導(dǎo)體設(shè)備新勢力叫魯汶儀器，出道就是專門干磁性材料刻蝕設(shè)備的公司，所以一個行業(yè)要靠大家共同搞，你搞設(shè)備，我搞材料，他做工藝，我出IP，才能共同進(jìn)步，共同繁榮。

06

左右迷茫的FeRAM

FeRAM 也就是鐵電存儲器，這個鐵電和金屬鐵沒有關(guān)系，是一種包含可以自發(fā)極化的鐵電體晶體材料。

它有兩種狀態(tài)，可以通過外部電場逆轉(zhuǎn)。當(dāng)對鐵電晶體施加電場時，中心原子沿電場方向在晶體中移動。當(dāng)一個原子移動時，它會穿過一個能壘，導(dǎo)致電荷擊穿。內(nèi)部電路對電荷擊穿作出反應(yīng)并設(shè)置存儲器。去除電場后，中心原子保持極化狀態(tài)，使材料具有非易失性，因此保持了存儲器的狀態(tài)。因為整個物理過程沒有原子碰撞，

因此，在外加電場作用下，鐵電材料的極化特性會發(fā)生變化。當(dāng)這個電場被移除時，數(shù)據(jù)仍然可以被保存。在沒有外加電場的情況下，極化特性有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。圖1是鐵電材料電容器的磁滯回線，顯示了鐵電電容器在不同外加電場下的不同極性。其中，最重要的兩個參數(shù)是剩余極化程度Pr和矯頑場Ec。在沒有電場效應(yīng)的情況下，+/-Pr 代表“0”和“1”兩種狀態(tài)。要獲得這兩種狀態(tài)，所施加的電場必須大于+/- Ec，此時還確定了所需的閾值電壓。

經(jīng)過多年的研發(fā)，主流鐵電材料主要有兩種PZT鋯鈦酸鉛和SBT鉭酸鍶鉍。

PZT是研究最多和應(yīng)用最廣泛的。它的優(yōu)點是可以通過濺射和 MOCVD 在較低溫度下制造。具有剩余極化大、原料便宜、結(jié)晶溫度低等優(yōu)點。它的缺點是疲勞退化問題，并導(dǎo)致對環(huán)境的污染。此外，這些材料的薄膜沉積過程已被證明是非常具有挑戰(zhàn)性的。同時，這些材料極高的介電常數(shù)是它們集成到晶體管中的障礙。

由于PZT有污染問題基本被禁用，只能是搞SBT材料。

SBT最大優(yōu)點是不存在疲勞退化的問題，而且不含鉛，符合歐盟環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，但是缺點是工藝溫度高，工藝集成困難。

換句話說鐵電材料，在沒有找到更好的材料之前，無論是PZT還是SBT都存在沒有辦法合理的商業(yè)化路徑的問題。

盡管看起來很美妙，F(xiàn)eRAM和MRAM，PCM特性也非常相似，斷電能保存數(shù)據(jù)，同時速度比NAND快很多，功耗低，讀寫速度快，具有抗輻照能力等優(yōu)點。

但是FeRAM，工藝?yán)щy，就是價格貴，而且不如MRAM有持續(xù)挖掘存儲密度的潛力，換句話說，容量做不大。只能是類似PDA，電表，智能卡，穿戴設(shè)備之類，業(yè)內(nèi)對突然斷電有數(shù)據(jù)保存要求的領(lǐng)域有一些機會。

迷茫的FeRAM，何去何從？

07

逆襲的RRAM

RRAM，是憶阻，輪“工齡”比MRAM，PCM等都要長，一路走來足足花了25年。

2008年，惠普公司提出一種被稱為憶阻器（memristor）的 RRAM，將其用在面向未來的系統(tǒng)“The Machine”上。但惠普在這項技術(shù)上努力多年之后卻轉(zhuǎn)向了一種更加傳統(tǒng)的內(nèi)存方案，退出了憶阻器的道路。

2014年前后，自2011年開始與索尼一同開發(fā)RRAM的美光退出項目，轉(zhuǎn)而開始與英特爾合作重點開發(fā)另一種存儲技術(shù) 3D XPoint。

從1990s到2010s，RRAM走過了功能機時代，跨過了智能終端時代，一直被研究，從未被大規(guī)模應(yīng)用，幾乎被時代遺忘。

而現(xiàn)如今，RRAM在Ai時代，再次被提起，成為“破除存儲墻”的關(guān)鍵之一。國內(nèi)外大廠又重新拾起RRAM，RRAM重燃希望。

2022年11月，英飛凌和臺積電宣布，兩家公司正準(zhǔn)備將臺積電的電阻式RAM（RRAM）非易失性存儲器（NVM）技術(shù)引入英飛凌的下一代AURIX?MCU微控制器。

過去業(yè)內(nèi)對于RRAM最大的質(zhì)疑，無外乎“工藝不成熟、商業(yè)化遲遲不能落地”。

2021年，晶圓代工廠臺積電現(xiàn)身，為RRAM站臺：宣布40nmRRAM進(jìn)入量產(chǎn)，28nm和22nmRRAM準(zhǔn)備量產(chǎn)，此外UMC，SMIC，等都建立可量產(chǎn)的商業(yè)化RRAM工藝線。

昕原半導(dǎo)體主導(dǎo)建設(shè)的RRAM 12寸中試生產(chǎn)線順利完成了自主研發(fā)裝備的裝機驗收工作，實現(xiàn)中試線工藝流程的通線，并成功流片，合肥?？莆⒌纫惨呀?jīng)研發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，并成功流片。

質(zhì)疑被一步步打破，RRAM正式迎來自己的逆襲之路。

要想避免PCM過去的失敗，首先就要找準(zhǔn)應(yīng)用方向。目前業(yè)內(nèi)沿著存儲應(yīng)用和存算應(yīng)用開始前進(jìn)。

在存儲上，英特爾，松下宣布將RRAM用于MCU領(lǐng)域，也就是前文說的，AURIX ?MCU微控制器。

在存算應(yīng)用領(lǐng)域上，首先RRAM找自己明確的定位，由于擦寫次數(shù)的問題，以及容量無法做大，于是有公司主攻內(nèi)存緩存，打破“存儲墻”。

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打破存儲墻

隨著AI算力需求走向100Tops、1000Tops甚至更高水平，以及對于能效比需求走向10TOPS/W、甚至100TOPS/W以上，傳統(tǒng)馮·諾伊曼架構(gòu)“招架不住”了。

這是因為在馮·諾伊曼架構(gòu)之下，芯片的存儲、計算區(qū)域是分離的。計算時，數(shù)據(jù)需要在兩個區(qū)域之間來回搬運，而隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型層數(shù)、規(guī)模以及數(shù)據(jù)處理量的不斷增長，數(shù)據(jù)已經(jīng)面臨“跑不過來”的境況，成為高效能計算性能和功耗的瓶頸，也就是業(yè)內(nèi)俗稱的“存儲墻”。

存儲墻相應(yīng)地也帶來了能耗墻、編譯墻（生態(tài)墻）的問題。例如編譯墻問題，是由于大量的數(shù)據(jù)搬運容易發(fā)生擁塞，編譯器無法在靜態(tài)可預(yù)測的情況下對算子、函數(shù)、程序或者網(wǎng)絡(luò)做整體的優(yōu)化，只能手動、一個個或者一層層對程序進(jìn)行優(yōu)化，耗費了大量時間。

這“三堵墻”導(dǎo)致算力無謂浪費：據(jù)統(tǒng)計，在大算力的AI應(yīng)用中，數(shù)據(jù)搬運操作消耗90%的時間和功耗，數(shù)據(jù)搬運的功耗是運算的650倍，打破“存儲墻”勢在必行。

于是，能夠打破這三堵墻的“存算一體架構(gòu)”漸入人們的視野。該架構(gòu)將存儲和計算的融合，徹底消除了訪存延遲，并極大降低了功耗。同時，由于計算完全耦合于存儲，因此可以開發(fā)更細(xì)粒度的并行性，獲得更高的性能和能效。

目前，實現(xiàn)存算一體有兩種存儲器件的選擇：

1、第一種是基于傳統(tǒng)的易失性存儲器，例如DRAM和SRAM，但由于DRAM制造工藝和邏輯計算單元的制造工藝不同，無法實現(xiàn)良好的片上融合，而SRAM難以進(jìn)行片上大規(guī)模集成，同時，因為SRAM和DRAM是易失性存儲器，需要持續(xù)供電來保存數(shù)據(jù)，仍存在功耗的問題。

2、第二種是結(jié)合非易失性新型存儲器。新型存儲器通過阻值變化來存儲數(shù)據(jù)，而存儲器加載的電壓等于電阻和電流的乘積，相當(dāng)于每個單元可以實現(xiàn)一個乘法運算，再匯總相加便可以實現(xiàn)矩陣乘法。在這種情況下，同一單元就可以完成數(shù)據(jù)存儲和計算，消除了數(shù)據(jù)訪存帶來的延遲和功耗，是真正意義上的存算一體。

另外，傳統(tǒng)存儲器所具有的易失性、微縮性差等問題可以被新型非易失性存儲器很好地解決。隨著RRAM工藝逐漸成熟，可以支持大算力芯片的量產(chǎn)。此時，RRAM具備的“低功耗、低延遲性、高密度”等優(yōu)勢愈發(fā)凸顯，通過將RRAM存儲技術(shù)與存算一體架構(gòu)結(jié)合，無疑會產(chǎn)生1+1>2的效果，從而打造高算力、高能效比的AI芯片，特別其低功耗，在邊緣側(cè)Ai是絕佳的應(yīng)用場景。

當(dāng)然不僅僅是RRAM，從道理上來講，PCM，F(xiàn)eRAM，MRAM歸根到底都是要打破存儲墻，填補DRAM和NAND之間的空白地帶。

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結(jié)語

從產(chǎn)業(yè)角度而言，新型存儲確實自己獨特優(yōu)勢但是也有其弱點，有些是成本， 有些是工藝難度，有些是自身特性的限制。但是只要找準(zhǔn)落地應(yīng)用場景，配合合理的產(chǎn)品線，能夠做到揚長避短，加以時日新型存儲必然成為半導(dǎo)體又一風(fēng)口，就像多年前的碳化硅一樣。

現(xiàn)在大家都知道碳化硅是種很好的材料，但是一直沒有找到突破口，直到特斯拉宣布碳化硅上車，大家猛然發(fā)現(xiàn)，碳化硅的各種特性完美匹配電動汽車的應(yīng)用場景。到現(xiàn)在，但凡搞功率半導(dǎo)體的廠家，都在紛紛進(jìn)入碳化硅領(lǐng)域，開發(fā)相關(guān)工藝和產(chǎn)品，積極布局碳化硅。

也許有一天，DRAM，NAND，Nor公司，特別是Nor公司也會像當(dāng)年功率半導(dǎo)體公司擁抱碳化硅一樣，去擁抱PCM，MRAM，F(xiàn)eRAM，RRAM等新型存儲，從實際應(yīng)用角度出發(fā)，在傳統(tǒng)DRAM和NAND之間，找到完美的落腳地。（作者： 陳啟，啟哥有妙計）