存儲芯片技術(shù)發(fā)展分析報告

1、存儲芯片技術(shù)發(fā)展分析報告技術(shù)發(fā)展趨勢：制程不是唯一標(biāo)準(zhǔn)，新技術(shù)競相涌現(xiàn)請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分4.1 NOF Flash:進(jìn)入40nm制程，SPI接口技術(shù)不斷優(yōu)化1NOFFlash制程進(jìn)展緩慢1988年，Intel推出第一款NOF Flash商用產(chǎn)品，制程為1.5微米。2005年，Intel推出65nm制程產(chǎn)品， 直到2020年，65nm依然是NOF Flash主流制程,而與NOF Flash同源的閃存產(chǎn)品NAND Flash早已進(jìn)入 10nm制程。市場高端玩家美光與cypress目前均已采用最先進(jìn)的45nm制程，中低端市場主要產(chǎn)商兆易創(chuàng)新與旺宏 于2019年推出55nm制程，華邦預(yù)計

2、于2021年量產(chǎn)45nm制程產(chǎn)品。圖：市場主要產(chǎn)商產(chǎn)品情況資料來源：公司官網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)新聞?wù)?，國元證券研究中心公司經(jīng)營模式現(xiàn)有產(chǎn)品制程產(chǎn)品容量范圍產(chǎn)品應(yīng)用美光IDM45nm128MB-2GB汽車、工控、航空航天cypressIDM45/65nm64MB-4GB汽車、工控、航空航天旺宏IDM55/75nm512KB-2GB消費，PC，汽車，工控華邦I(lǐng)DM58/65nm512KB-2GB消費，PC，汽車，工控兆易創(chuàng)新Fabless55/65nm512KB-512MB消費，PC圖：四線式主機(jī)和從機(jī)的SPI配置2SPI接口技術(shù)優(yōu)化NOFFlash效率串行外設(shè)接口(SPI)是微控制器和外圍IC（如傳感器、

3、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等）之間使 用最廣泛的接口之一。4線SPI器件有四個信號：時鐘(SCLK)、片選(CS)、主機(jī)輸出 (MOSI)、從機(jī)輸 出(MISO)。主機(jī)送出CLK信號，主機(jī)到從機(jī)的數(shù)據(jù)在MOSI線上傳輸，從機(jī)到主機(jī)的數(shù)據(jù)在MISO線上 傳輸。與另一種同步傳輸協(xié)議I2C（并行存取方式)相比，序列式接口具有較多優(yōu)勢：其外在接腳數(shù)目更少， 降低了IC組裝及封裝的成本，占據(jù)了更小的印刷電路板面積并簡化了繞線的復(fù)雜度；由于電路設(shè)計原 因，SPI傳輸速率一般在幾十Mbps，I2C傳輸速率一般僅有400Kbps。圖：I2C配置4.1 NOF Flash:進(jìn)入40nm制程，SPI接口

4、技術(shù)不斷優(yōu)化請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分4.1 NOF Flash:進(jìn)入40nm制程，SPI接口技術(shù)不斷優(yōu)化資料來源： Knowledge Sourcing Intelligence ，國元證券研究中心2使用SPI接口技術(shù)的NOF Flash一般被稱為Serial NOF Flash或SPI NOF Flash，使用I2C接口技術(shù)的 NOF Flash一般被稱為Parallel NOF Flash。目前，美光、賽普拉斯、華邦、旺宏等NOF Flash知名產(chǎn) 商均有生產(chǎn)兩種形式的NOF Flash，兆易創(chuàng)新則專注于SPI NOF Flash。當(dāng)前市場上以SPI為接口的NOF Flash產(chǎn)品數(shù)

5、量較多，但根據(jù)Knowledge Sourcing Intelligence預(yù)測， 并行接口的NOF Flash數(shù)量將在未來幾年有所增加。圖：NOF Flash產(chǎn)品類別統(tǒng)計及預(yù)測SPI接口技術(shù)優(yōu)化NOFFlash效率請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分4.1 NOF Flash:進(jìn)入40nm制程，SPI接口技術(shù)不斷優(yōu)化資料來源：兆易創(chuàng)新，國元證券研究中心22008 年 10 月，兆易創(chuàng)新推出國內(nèi)首款串行閃存（SPI NOF Flash）產(chǎn)品，并于12月開始量產(chǎn)。此后， 公司SPI NOF Flash 產(chǎn)品不斷更新迭代。2019年4月，兆易創(chuàng)新推出八通道XSPI接口技術(shù)，大幅增加 了閃存數(shù)據(jù)吞吐量。

6、2020年7月，兆易創(chuàng)新的GD25/55 B/T/X系列1.8V產(chǎn)品（即GD25/55 LB/LT/LX） 全面量產(chǎn)，其數(shù)據(jù)吞吐量分別為90Mbps，200Mbps和400Mbps。圖：兆易創(chuàng)新SPI NOF Flash系列產(chǎn)品SPI接口技術(shù)優(yōu)化NOFFlash效率4.2 DRAM：進(jìn)入1z制程，DDR5即將面市DRAM的技術(shù)發(fā)展路徑是以微縮制程來提高存儲密度。制程工藝進(jìn)入20nm之后，制造難度大幅提升， 內(nèi)存芯片廠商對工藝的定義從具體的線寬轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰唧w制程范圍內(nèi)提升二或三代技術(shù)來提高存儲密度。 譬如，1X/1Y/1Z是指10nm級別第一代、第二代、第三代技術(shù)，未來還有1/1/1。目前市場上D

7、RAM的應(yīng)用較為廣泛的制程是2Xnm和1Xnm，三星、美光、海力士等巨頭廠商均已開發(fā) 出1Znm制程的DRAM。國產(chǎn)DRAM廠商合肥長鑫現(xiàn)已量產(chǎn)的DRAM為19nm制程，預(yù)計2021年可投產(chǎn) 17nm DRAM，技術(shù)與國際先進(jìn)的廠商還有較大的差距。圖：國際大廠DRAM制程1DRAM制程進(jìn)入1z時代請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分4.2 DRAM：進(jìn)入1z制程，DDR5即將面市DDR是雙倍速率同步動態(tài)隨機(jī)存儲器，在SDRAM（ Synchronous DRAM ） 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來， 與 SDRAM相比，它可以在一個時鐘讀寫兩次數(shù)據(jù)，使 得數(shù)據(jù)傳輸速度加倍。主要應(yīng)用在個人計算機(jī)、服務(wù) 器上。自2

8、000年DDR1推出之后，20年內(nèi)DDR系列已更新 到了第五代，主要發(fā)展方向為工作效率提升與工作電 壓降低。圖：DDR系列性能對比2DRR系列性能持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品首發(fā)年份帶寬（GB/s)工作電壓（V)DDR20003.22.5/2.6DDR220038.51.8DDR32007171.35/1.5DDR4201425.61.2DDR52019321.1圖：DDR家族演變及應(yīng)用4.2 DRAM：進(jìn)入1z制程，DDR5即將面市2018年至2020年，海力士、美光、三星先后宣布完成DDR5研發(fā)，國內(nèi)產(chǎn)商方面，瀾起科技表示將在 2020年內(nèi)完成DDR5研發(fā)。相比于DDR4，DDR5具有更高的帶寬，更快的速

9、率，更低的功耗。據(jù)固態(tài) 技術(shù)協(xié)會（JEDEC) ，DDR5突發(fā)長度增加到BL16，存儲區(qū)計數(shù)增加至32，為DDR4的兩倍；最高速 率可達(dá)4.8Gbps，是DDR4的150%；輸入緩沖和核心邏輯的供電電壓降低至1.1V。根據(jù)IDC預(yù)測，DDR5的需求將逐步增長，在DRAM市場的占有率將于2021年達(dá)到25%，在2022年進(jìn)一步上升至44%。圖：瀾起科技DDR5圖：DDR5參數(shù)3DRR5：更高的帶寬，更快的速率，更低的功耗414.3 NAND Flash：3D垂直堆疊技術(shù)為主要發(fā)展方向1NANDFlash存儲密度不斷增加根據(jù)每個存儲單元存儲的數(shù)據(jù)數(shù)量，NAND Flash可以分為SLC、MLC、T

10、LC、QLC。SLC（Single- Level Cell）為每個存儲單元存儲的數(shù)據(jù)只有1位，即只有0/1兩種狀態(tài)，而MLC（Multi-Level Cell）、 TLC（Triple-Level Cell）、QLC（Quad-Level Cell）每個存儲單元能存儲的數(shù)據(jù)分別為2位、3位與4 位，可以有4種、8種與16種狀態(tài)，存儲空間迅速增加。四種類型的NAND Flash性能各有不同。SLC單位容量的成本相對于其他類型NAND Flash成本更高， 但其數(shù)據(jù)保留時間更長、讀取速度更快；QLC擁有更大的容量和更低的成本，但由于其可靠性低、壽 命短等缺點，仍有待后續(xù)發(fā)展。目前主流的解決方案為M

11、LC與TLC 。圖：SLC/MLC/TCL/QLC示意圖：SLC/MLC/TCL/QLC比較4223DNAND成為主流方向圖：3D NAND結(jié)構(gòu)圖以往的閃存多為平面閃存，也即2D NAND，3D NAND是立體結(jié)構(gòu)的閃存。3D NAND使用多層垂直堆疊技 術(shù)，相比較于2D NAND，擁有更大的容量、更低的功耗、更好的耐用性以及更低的成本等優(yōu)點。具體 來說，3D NAND成本大約為2D NAND的3倍，64層3D NAND容量大約為2D NAND的三倍，隨著3D NAND層數(shù) 增加，規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢將逐漸凸顯。此外，相關(guān)測試顯示與2D NAND相比，3D NAND能夠節(jié)省約50%能耗。目前2D NA

12、ND使用的制程工藝為14/15nm，3D NAND大多為20nm級別。圖：三星3D NAND演進(jìn)圖4.3 NAND Flash：3D垂直堆疊技術(shù)為主要發(fā)展方向4.3 NAND Flash：3D垂直堆疊技術(shù)為主要發(fā)展方向23DNAND成為主流方向同DRAM 一樣，NAND Flash 同樣采取 1X nm/1Y nm/1Z nm 進(jìn)行工藝技術(shù)的度量。不同之處在于，由 于物理結(jié)構(gòu)上 NAND 不需要制作電容器，自2015年制程推進(jìn)遇到障礙時，制程工藝相對簡單的3D堆疊 技術(shù)成為新的發(fā)展方向。根據(jù)Yole，全球 3D NAND Flash 的產(chǎn)量已于2017年4季度超過2D。目前3D技 術(shù)正在穩(wěn)步推

13、進(jìn)中，未來的發(fā)展方向就是層數(shù)的繼續(xù)堆疊。目前，全球能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)3D NAND的公司只有三星、美光、英特爾、海力士、長江存儲等10幾家廠商。 根據(jù)TechInsights，截止2019年末，美光、海力士、三星、西部數(shù)據(jù)等國際大廠均已成功研發(fā)100+層 的3D NAND。2020年4月，長江存儲也宣布成功研發(fā)128層3D NAND。表 ：主要NAND Flash廠商制程變化及預(yù)測CPUSRAMDRAMNAND Flash存儲墻存儲墻易失性存儲非易失性存儲響應(yīng)時間1ns10ns100ns100s短存儲容量大444.4 新型存儲：打破內(nèi)外存儲邊界當(dāng)前主流的計算系統(tǒng)都采用馮諾依曼架構(gòu)，其特點在于程序存儲

14、于存儲器中，與運算控制單元相分離。 為了滿足速度和容量的需求，現(xiàn)代計算系統(tǒng)通常采取高速緩存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存儲(NAND Flash)的三級存儲結(jié)構(gòu)。SRAM響應(yīng)時間通常在納秒級，DRAM則一般為100納秒量級，NAND Flash更是高達(dá) 100微秒級，當(dāng)數(shù)據(jù)在這三級存儲間傳輸時，響應(yīng)時間的差異形成“存儲墻”。圖：常見存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1新型存儲有望突破內(nèi)存、外存間“存儲墻”請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分DRAM和NAND Flash受限于本身物理特性，難以突破“存儲墻”。新型存儲的特殊材料和結(jié)構(gòu)使 其同時具備DRAM的讀寫速率與壽命以及NAND Flash的非易失特性，理論

15、上可以簡化存儲架構(gòu)將 當(dāng)前的內(nèi)存和外存合并為持久內(nèi)存，從而有望消除或縮小內(nèi)存與外存間的“存儲墻”。目前較為流行的新型存儲有4種：PCM、FRAM、MRAM、ReRAM。4.4 新型存儲：打破內(nèi)外存儲邊界表 ：各類存儲器性能對比存儲器DRAMNAND FlashPCMFRAMMRAMReRAM非易失否是是是是是器件最小尺寸（F）64422204寫入/擦除電壓（V）2.515-2031.3-3.31.81寫入/擦除時間10ns0.1/1ms10ns65ns101510510510141012108多值存儲潛力無有有困難無有三維存儲潛力無3D NAND3D X-Point困難無 有資料來源：DRAM

16、Exchange,國家集成電路創(chuàng)新中心，國元證券研究中心1新型存儲有望突破內(nèi)存、外存間“存儲墻”請務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分464.4 新型存儲：打破內(nèi)外存儲邊界相變位存儲器(PCM: Phase-change memory)，是一種非易失性存儲器設(shè)備。其材料為硫族化物的玻璃。 硫?qū)俨ＡЫ?jīng)加熱可以改變狀態(tài)，成為晶體或非晶體，這些不同狀態(tài)具有不同的電阻特性和光學(xué)特性， PCM借此存儲不同的數(shù)值。PCM具有工藝尺寸小、存儲密度高、讀寫速度快、功耗低、可拓展性強(qiáng)等優(yōu) 點。由于PCM必須逐層構(gòu)建，且每一層都必須采用關(guān)鍵的光刻和蝕刻步驟，導(dǎo)致成本與層數(shù)等比例增加， 因此其不具備垂直3D NAND的制

17、造技術(shù)所能達(dá)到的規(guī)模效益。圖：PCM工作示意圖圖：相變示意圖2PCM：高密度、低功耗的非易失存儲4.4 新型存儲：打破內(nèi)外存儲邊界2015年，Intel與Micron推出3D Xpoint存儲器，旨在作為計算系統(tǒng)中DRAM與NAND閃存SSD之間的新增 存儲器層。3D Xpoint存儲器使用相變材料，其存儲量接近NAND，速度與DRAM相近，成本介于NAND和 DRAM之間。在3D Xpoint基礎(chǔ)上，Intel與美光分別推出自己的產(chǎn)品。Intel傲騰系列產(chǎn)品都是基于3D Xpoint，包 括傲騰固態(tài)盤系列與傲騰內(nèi)存系列，其中，傲騰固態(tài)盤用于標(biāo)準(zhǔn) NAND 封裝模型中的快速存儲，內(nèi)存 產(chǎn)品則在

18、DRAM總線上運行；美光在2019年推出X100 SSD，其每秒讀寫次數(shù)最高為250萬，連續(xù)傳輸?shù)男阅芗s為10GB/s，兩項性能均創(chuàng)造了單塊SSD的新記錄。圖：3D XPoint結(jié)構(gòu)圖圖：美光首款3D XPoint產(chǎn)品X1002PCM：高密度、低功耗的非易失存儲4.4 新型存儲：打破內(nèi)外存儲邊界圖：FeRAM存儲單元結(jié)構(gòu)鐵電存儲器（FERAM），是一種隨機(jī)存取存儲器,與DRAM類似，但其使用鐵電層而非介電層來實現(xiàn)它的非 易失性。FRAM的電壓、電流關(guān)系具有可用于存儲位的特征滯后回路。正電流使位單元處于具有正偏置的 狀態(tài)，而負(fù)電流將該位單元的狀態(tài)改變?yōu)樨?fù)偏置。電鐵存取器的缺點是，它的讀取是破壞性的，每次讀取后必須通過后續(xù)寫入來抵消，以將該位的內(nèi)容恢 復(fù)到其原始狀態(tài)。它的優(yōu)點是具有獨特的低寫入耗電性能以及寫入耐久性，F(xiàn)eRAM在+85C下的數(shù)據(jù)保留 時間超過10年（在較低溫度下長達(dá)數(shù)十年）。富士通正在開發(fā)FRAM并竭力推廣商業(yè)化進(jìn)程。圖： FeRAM寫入原理3FRAM:讀寫耐久的隨機(jī)存儲4.4 新型存儲：打破內(nèi)外存儲邊界圖：MRAM結(jié)構(gòu)圖磁性存儲器 (MRAM）