半導體入門，來看儲存器的最新產品趨勢

緩衝儲存器有用嗎

上一系列講了半導體行業的基本概念、市場規模、核心環節和增長驅動力（系列一為《半導體入門，你需要了解的二三事》），今天將進行細分領域的討論。相信儲存器漲價應該是大家過去一年多印象最深的半導體行業新聞，儲存器類似大腦記憶功能，在大資料需求下，市場規模增長最快，將超過邏輯晶片成為最大的細分市場，因此係列二選擇儲存器作為首先討論的細分內容，本文包括三部分，一是儲存器的歷史，二是儲存器的分類，三是儲存器的最新產品趨勢。

一、儲存器的歷史

1）關鍵事件

如果要給儲存器的歷史給出一個最關鍵的事件會是什麼？答案是1972年英特爾釋出的1KbDRAM（動態隨機存取儲存器，最為常見的系統記憶體），這標誌著全球半導體DRAM記憶體時代的到來，它對於全球半導體工業的意義不亞於美國第一顆原子彈爆炸，因為CPU與DRAM的關係就像大腦的思維和記憶，CPU所要處理的資料、指令和大部分正在處理的中間資料都會放到DRAM中等待，這要求DRAM和CPU之間的速度保持匹配。在這之前，儲存器是用磁芯製成的（發明者是華人王安博士），即在鐵氧體磁環裡穿進一根導線，導線中流過不同方向的電流時，可使磁環按兩種不同方向磁化，代表“1”或“0”的資訊便以磁場形式儲存下來；而DRAM的基本原理是利用電容記憶體儲電荷的多寡來代表0和1。

英特爾1KDRAM產品的成本只有磁芯儲存器的10%，它成功的關鍵在於採用MOS工藝取代傳統的雙極性工藝技術，相對於雙極性技術，MOS技術不僅能耗少，而且整合度高。下面對MOS技術和雙級性技術做下概念解釋：

1、雙級性技術就是用雙級型電晶體（即三極體）為基礎的工藝技術，它是一種電流控制型器件，由輸入電流控制輸出電流，其本身具有電流放大作用，它工作時有電子和空穴兩種載流子參與導電過程，故稱為雙極型三極體；MOS是MOSFET的縮寫，全稱金屬-氧化物半導體場效應電晶體，屬於單極型電晶體，是一種電壓控制型器件，由輸入電壓產生的電場效應來控制輸出電流的大小，它工作時只有一種載流子參與導電，故稱為單極型電晶體。

2、MOSFET第一個重要優勢是功耗，因為它的輸入電阻很大，幾乎不消耗電流，而雙級性輸入電阻小，消耗電流大；MOSFET第二個重要優勢是可以按比例縮小。這兩大優勢決定了在大規模積體電路中基本都是使用MOSFET技術，而雙極型電晶體由於能提供較高的跨導和輸出電阻，並具有高速、耐久的特性，因此依舊是組成類比電路，尤其是甚高頻應用電路（如無線通訊系統中的射頻電路）的重要配件。

2）行業競爭歷史

我把該行業中各個國家的重要事件按照時間順序列了個表，這樣應該更方便看懂其中的邏輯（如果讀者看不清，可以聯絡我們要excel版）。

關於行業競爭歷史，個人主要有幾個感想：

1、作為DRAM儲存器開拓者的英特爾，以及曾經的霸主莫斯泰克（被意法半導體收購），都被日本在10年內趕超，可見在關鍵技術變革和市場機遇時期，沒有確定贏家，中國當前的機會也是這個邏輯；

2、日本和韓國在儲存器上的發展離不開美國的技術支援，但是成也美國、敗也美國，美國認定日本傾銷並迫使日元升值後，韓國就全面趕超日本，可見自主技術、本國市場空間和政治自主在這種前沿核心技術上的重要性；

3、先進技術（人才）、市場空間和資金是這個行業成功的三個關鍵因素，中國在半導體行業曾經領先日本、韓國和臺灣，但是在美國技術封鎖和資金缺乏下慢慢落後，現在已落後多年，而在新的半導體景氣週期下，先進技術（人才）將是中國成功的關鍵。

二、儲存器的分類

儲存器按照停止供應電源後是否還能保留資料來劃分的話，可以分為易失性儲存器和非易失性儲存器，俗稱記憶體和快閃記憶體（下圖只包含了部分常用儲存器）。

在實際應用中，基本所有電子產品都需要儲存器，而具體應用不同，對儲存器的要求就會不同，如果按照對儲存容量、運算速度和單位價格的要求來劃分，儲存器還可以細分為暫存器、高速緩衝儲存器、主儲存器和輔助儲存器（下圖是臺灣的叫法，大家對應理解一下）。

1)暫存器、高速緩衝儲存器和主儲存器的關係：

1、暫存器是CPU內部的元件，容量最小、讀寫速度最快，用來暫存指令、資料和位址。

2、高速緩衝儲存器（Cache）是位於CPU與主記憶體間的一種容量較小但速度很高的儲存器，由於CPU的速度遠高於主記憶體，CPU直接從記憶體中存取資料要等待一定時間週期，Cache中儲存著CPU剛用過或迴圈使用的一部分資料，當CPU再次使用該部分資料時可從Cache中直接呼叫，這樣就減少了CPU的等待時間，提高了系統的效率。Cache又分為一級Cache（L1Cache）和二級Cache（L2 Cache），L1 Cache整合在CPU內部，L2 Cache早期一般是焊在主機板上，現在也都整合在CPU內部，常見的容量有256KB或512KBL2 Cache。

3、大致來說，資料是透過記憶體-Cache-暫存器到達CPU的，Cache快取則是為了彌補CPU與記憶體之間運算速度的差異而設定的的部件。

高速緩衝儲存器以SRAM為主（靜態隨機存取儲存器），主儲存器以DRAM為主（動態隨機存取儲存器，現在已經有很多升級，比如SDRAM、DDRSDRAM，大家知道它們是一個大類就行）。

2）輔助儲存器：

輔助儲存器以Flash（快閃記憶體）為主，包括NOR型與NAND型。NOR型快閃記憶體更像記憶體，有獨立的地址線和資料線，但價格比較貴，容量比較小，而NAND型更像硬碟，地址線和資料線是共用的I/O線，類似硬碟的所有資訊都透過一條硬碟線傳送一般，成本低，容量大。因此，NOR型快閃記憶體比較適合頻繁隨機讀寫的場合，通常用於儲存程式程式碼並直接在快閃記憶體內執行，手機就是使用NOR型快閃記憶體的大戶，所以手機的“記憶體”容量通常不大；NAND型快閃記憶體主要用來儲存資料，我們常用的快閃記憶體產品，如快閃記憶體盤、數碼儲存卡都是用NAND型快閃記憶體。

我們通常所說的SSD（固態硬碟）是採用FLASH晶片作為儲存介質，它的外觀可以被製作成多種模樣，例如筆記本硬碟、微硬碟、儲存卡、隨身碟等。

三、儲存器的最新產品趨勢。

原來的易失性儲存器和非易失性儲存器都會有一定的侷限和不足，新型儲存器在創新方面主要有兩個方向：空間結構由2D變為3D和採用新的儲存器件結構或材料，下面針對幾個重要的技術方向做一下說明。

1)3D NAND

多年以來，2DNAND 一直都是半導體工業光刻技術的發展推動力，其印刷尺寸最小，而且保持逐年下降。隨著 2D NAND 的尺寸縮小到了十幾奈米節點（16nm、15nm甚至14nm），每個單元也變得非常小，使得每個單元中僅有少數幾個電子，而串擾問題又使得進一步縮小變得非常困難而且不夠經濟。比如固態硬碟的資料傳輸速度雖然很快，但售價和容量還是個問題，這種寬度為2。5英寸的硬碟用來容納儲存晶片的空間較為有限，容量越高的晶片可以增加硬碟的總體儲存空間，但更高的成本也拉高了硬碟的售價。透過3D技術能夠解決2D時隨著製程變小而引起的儲存單元之間的串擾效應和柵氧化層導致的電子擊穿效應，3DNAND可以輕鬆地在寬鬆的製程下得到更高的容量，並且效能更好，功耗更低。在3D NAND研發進展方面，三星2013年開始量產，目前三星，東芝，西部資料均已成功研發出64層3D NAND產品，中國的武漢新芯與飛索（Spansion）簽訂合作協議共同研發48層3D NAND技術。3D NAND專利儲備方面，三星佔據36%的專利數，位列第一，閃迪緊隨其後，佔比達25%。

2)PCRAM

目前通用的動態記憶體（DRAM）有一個致命的缺點，那就是怕斷電，一旦斷電，在記憶體中的資料就會瞬間消失，因此科學家們一直希望找到一種更完美的下一代儲存器。PCRAM就是這樣一種理想的儲存器：它透過電流和磁場的開關，讓儲存材料在晶體和非晶體間切換。由於改變的是材料的物理狀態，所以即使斷電，這種狀態也不會消失，同時還可以實現很快的擦寫速度。與SRAM和DRAM相比， PCRAM具有非易失性、儲存密度更高、不需要重新整理、抗輻射干擾等優點；與 Flash 相比， PCRAM 具有讀寫速度快、使用壽命長、可以執行位操作等優點。目前PCRAM能實現小規模量產的有三星、美光等海外大公司，中國的中科院上海微系統所與資訊科技研究所（與中芯國際合作）、華中科技大學、北京時代全芯科技等機構也在積極開展研究。在PCRAM專利方面，索尼、三星、IBM、美光四大公司專利儲備數位居前列。

3)3DXPoint

2015年7月，英特爾和美光在英特爾技術峰會上聯手釋出了3DXPoint 的新一代儲存器技術，3D XPoint最核心的就是利用了兩種相變材料的特性，在此基礎上進行3D堆疊。該技術經歷了十年研發，被英特爾稱為自1989年NAND 被髮明後儲存領域的第一次質的突破。簡而言之，它是一種非易失性固態儲存新形式，效能和耐久性比NAND快閃記憶體高得多，而價格方面處於DRAM和NAND之間（目前DRAM的成本在每GB容量5美元左右，NAND約為每GB容量25美分，據Gartner介紹，3DXPoint預計在大批次購買基礎上，每GB容量成本約2。40美元）。

據稱，3DXPoint第一次在實際產品上實現了低成本，高速度，非易失三大效能的結合：3D XPoint的隨機寫入速率是NAND 的1000 倍（也有專家提出該效能比只是理論上的，3DXPoint的實際測試結果是比NAND的速度快10倍），密度是DRAM 的10 倍；3D XPoint擁有更為寬鬆的蝕刻尺寸要求和層數新增空間，大大降低了製備成本；3DXPoint具備極高的訪問速度，能夠很好地降低處理器和資料之間的延遲，具備很大的應用前景。

Gartner預測，3DXPoint技術將在2018年末開始在資料中心的採用率將會顯著提高。但是這種技術轉型需要時間，因為資料中心生態系統必須為了適用新記憶體而進行調整，包括新的處理器晶片組和第三方應用程式。3DXPoint目前只有兩家提供商——英特爾和美光。（編輯：劉瑞）