近年来 IBM 成为海内多个新式存储项目的技能母厂,原来合肥已经抢到授权自 IBM 的 MRAM 技能 12 吋厂项目,与现有的 DRAM 项目合肥长鑫、晶圆代工项目合肥晶合形成半导体家当铁三角,让合肥打造“芯片之城”的野心毕露,该新公司更取名为 HeFei Memory( HMC )。但意外的是,末了杀出上海、深圳、南京、天津等大城市也急欲打劫这个 MRAM 项目, HMC 项目换了落脚地后,新公司的名称可能要随着“改姓”!
面前,主流的两大存储技能 DRAM 和 NAND Flash 已经被国际大厂牢牢节制在手上,尤其 DRAM 技能是美光(Micron)、三星电子(Samsung Electronics)、SK 海力士(SK Hynix)三巨子寡占,因此福建晋华发展 DRAM 自有技能的火苗才刚刚有一点成果,这三大巨子都亟欲“捻熄”,深怕这利润丰硕的封闭市场被“第四者”入侵!
(来源:麻省理工科技评论)

NAND Flash 家当的供应商比较多,除了上述的三家外,还有英特尔(Intel)、东芝(Toshiba)、西部数据(WD)、 SanDisk 等,但 NAND Flash 技能也都是国际大厂急欲保护的稀世珍宝,海内的长江存储自主 NAND Flash 技能已经研发成功,在研发初期即非常重视知识产权的议题,因此得以避开国际大刀。
主流存储之路荆棘满布,MRAM 、 ReRAM 、 PCM 等新存储技能举头面对国际大厂以“嗜血”般的态度紧盯着海内主流存储技能的发展,另一股势力:新式存储技能再度被提起,包括 MRAM 、 ReRAM 、 PCM 等。
海内新式存储技能已经形成不少阵营,像是上海磁宇,以及海康威视旗下的海康驰拓都致力于 MRAM 技能开拓。上海磁宇投入 40nm 的高密度垂直构造磁性随机存储器 pSTT-MRAM 技能,其团队来自于 MRAM 技能大本营 Everspin 和 TDK,且同时投入独立式(standalone)和嵌入式(embedded)两种技能和市场策略。
上海磁宇董事长武平是展讯的创始人 ,而中国科学院上海微系统与信息技能研究所所长王曦也是上海磁宇的董事之一。
另一家海康驰拓是中电海康旗下从事 MRAM 新存储的企业。海康驰拓的前身是中电海康研究院磁旋存储奇迹部,2015 年 12 月该奇迹部正式注册成立为浙江海康驰拓,成为中电海康集团旗下独立子公司。
(来源:中电海康官网)
海康驰拓专注 MRAM 存储技能发展,团队来自高通(Qualcomm)、西部数据等浩瀚半导体国际大厂,目前基于芯片设计和工艺设计两块投入研发,并于 2017 年初投入 13 亿元启动研发基地。
由于 MRAM 技能特性,前段工艺须要与逻辑技能的半导体厂互助,行业内人士透露,海康驰拓原来操持前段工艺技能是和中芯国际互助,但后来该商业模式有变革。
在关键的 MRAM 研发机台上,海康驰拓是与半导体设备龙头运用材料(Applied Materials)互助,应材对付新式存储技能研发的投入十分积极,供应针对 STT-MRAM 技能的不同设备给客户选择采取。
新式存储技能阵营开始绽放,成为“芯片之城”的新标的值得把稳的是,除了上海磁宇、海康驰拓之外,还有一家授权自 IBM 的 MRAM 技能团队,也积极在海内打造一座专学临盆 MRAM 技能的 12 寸晶圆厂,先后有不少城市“招手”,包括合肥、上海、深圳、南京、天津等。
行业内人士透露,该座 MRAM 新厂初期是操持落户在合肥晶圆代工厂晶合的第二期工程厂内,后来上海、深圳等一线城市纷纭招手,该团队也转到这些地方评估,末了连南京这座拥有台积电、紫光集团两大重量级半导体厂的城市,也加入争取 MRAM 落户的行列。
近期最新讯息指出,天津也积极向这个来自 IBM 技能的 MRAM 存储项目招手。以此来看,遍地所政府追逐投资半导体已然成为一股热潮,只为争夺新一代“芯片之城”的称号,而在此当中,新式存储技能俨然成为最新标的。
另一个新式存储候选人是相变革影象体(PCM)技能,这个曾经被业界视为非常难实践,乃至一度传出险些被放弃的技能,近年来又火红起来,归功于英特尔 ( Intel ) 和美光 ( Micron ) 于 2015 年推出的 3D XPoint 新型态存储技能,被视为是 PCM 技能的一种。
英特尔与美光的 3D XPoint 技能燃起希望,PCM 技能去世灰复燃不但是技能开拓,英特尔、美光也将该技能导入商用化。英特尔采取 3D XPoint 技能打造 Optane 品牌,与微软、 IBM 互助将该技能导入伺服器等产品线,同时也导入 SSD 进入消费市场。
美光的 3D XPoint 技能则是成立另一个品牌,名为 QuantX,但该产品线的进度一贯在推迟。再者,英特尔、美光已经宣告在 NAND Flash 技能等互助上分道扬镳,其 3D XPoint 技能后续的发展也令人关怀。
(来源:麻省理工科技评论)
然提到 PCM 技能必须一提的是,海内也有一家从事 PCM 技能研发和生产的企业:江苏时期芯存半导体。时期芯存成立于 2016 年,技能来源也是 IBM 的 PCM 技能,该项目总投资 130 亿元,方案年产能 10 万片,第一期投资 43 亿元,该厂房也在去年底封顶。
从上海磁宇、海康驰拓、江苏时期芯存,以及另一支授权自 IBM 的 MRAM 技能团队积极探求崛起点,乃至还有数个还未浮上台面的新项目可以看出,积极投入 MRAM 、 PCM 这类的存储技能已成为新一代“中国芯”的希望!
新式存储技能十分迷人,由于随着摩尔定律放缓,人们不断寻求 DRAM 和 NAND Flash 的替代品。再者,这块领域不像主流的存储技能,处处都被国际大厂的知识产权胁迫,新进者发展起来比较没有包袱。
然而,无论是 MRAM、 PCM,或是 ReRAM 等技能,难度门槛非常高,而商用化会是另一道门槛。
很多国际大厂虽然有这些技能,却没有导入商用化,而是把技能卖给其他公司,这是为什么?由于他们很清楚这些技能要商用化,是一条更难的道路,因此不自己生产,而是选择“卖技能”让别人生产。由此可知,要非常小心新式存储技能的两面刃:救命丹与钱坑。
谁是 DRAM 、 NAND Flash 接班人?该问题辩论数十年我们日常生活中,无论是打算机、手机等都被主流的 DRAM 和 NAND Flash 技能和产品环绕,新式存储技能看似是一个全然陌生的领域,但由于 DRAM 、 NAND Flash 技能都在逼近摩尔定律的尽头,因此须要新的技能和材料来刺激家当往前,新式存储技能因此成为焦点。
在评论辩论新式存储技能前,先大略复习一下,非挥发性存储技能(Non-Volatile Memory)和挥发性存储技能(Volatile Memory)的差异。
我们最常听到的 DRAM 便是属于挥发性存储技能的代表,意思是当电流中断,存储的资料便会消逝,其他如 RAM、 SRAM 等也都是挥发性存储技能。
相反地,非挥发性存储技能是指当电流关掉,所储存的资料并不会消逝,这类的存储技能包括 NAND Flash 、 EEPROM 、 ROM 等,以及多数的新式存储技能包括磁阻式随机存取影象体 MRAM 、可变电阻式随机存取影象体(ReRAM)、相变革随机存取影象体(PCM)、铁电随机存取影象体(FRAM)等都是属于非挥发性存储阵营。
(来源:IEEE学生简报)
新式存储技能实在经历了超过十年的技能较劲,近年来,MRAM 技能算是最被看好的一支。
MRAM 技能的基本构造是由上、下两层的铁磁性板形成,称为“磁性隧道结”,一层是磁自旋方向固定的钉扎层,另一个是自由层,其铁磁性板的自旋方向会随着在外加应力而改变,如果自由层的自旋方向和钉扎层的自旋方向同等,则隧道层处在低电阻的状态,反之则是高电阻状态,MRAM 的事理便是利用这种“磁性隧道结”的电阻变革来达到储存目的。
各种新式存储技能相争多年,MRAM 会在这一波潮流中突围,由于其优点是存取速率靠近 SRAM,且具备 NAND Flash 的非挥发性特性,其容量密度也不输给 DRAM,而均匀能耗远低于 DRAM。不过,MRAM 的磁性隧道结的构造理论上看似大略,但涉及非常多的物理学知识,研发难度非常高,纵然研发成功,要导入商用化也是另一个寻衅。
MRAM 技能可分为传统的 MRAM 和 STT-MRAM 两大类,前者采取磁场驱动,后者采取自旋极化电流驱动。
另一项新型的非挥发性存储技能是 PCM,也称为 PRAM(Phase-change RAM),也便是上述英特尔、美光、时期芯存所投入的技能。
PCM 技能类似于三明治的构造,通过热能的转变,让相变材料在导电的低电阻结晶与非导电的高电阻非结晶之间转换,而中间是用与光碟材料相似的 GST 作为相变层,利用这个高低阻态的变革来存储不同的数值。
PCM 的优点是读写速率快、耐用、非挥发性等,读取速率大幅快于快闪影象体,而 PCM 写入次数也远高于快闪影象体。
过去 PCM 受限于本钱过高和储存有限,一个储存单位(cell)仅能存 1 个 bit,难以运用于电脑和行动装置上,仅被用在蓝光光碟,后来 IBM 研发出的 PCM 技能是每储存单位可存 3 个 bit,且不受周围温度影响,大幅度提升 PCM 实际运用于商业的可能。
ReRAM 也有不少支持者,与 PCM 的事理构造有相似之处,是由高下两层金属电极和中间一层过渡金属氧化物组成,利用过渡金属氧化物的阻值,会随着所加偏压改变而产生不同的阻值,若双极性(bipolar)的材料,施加一个方向的电压可由高电阻转变成低电阻,施加反方向的电压则可以由低电阻转变成高电阻,而电阻值能够在高低之间稳定地转换,作为储存数位资讯的媒介。优点是操作电压低、存储的资料单位面积小、写入速率比 NAND Flash 快。
新式存储技能的迷人之处是有着取代 DRAM 和 NAND Flash 两大主流技能的美梦。然从另一个角度不雅观察,新式存储技能也是半导体家傍边,旧威信(三星、 SK 海力士、美光、英特尔、东芝等)和新势力之间的角力竞赛。
这些掌控旧有势力的大厂,虽也早早投入新存储技能的开拓,但这块比较不像 DRAM 和 NAND Flash 的专利、知识产权都被国际大厂束缚住,但不得不把稳的是,无论 是 MRAM 、 PCM 、 ReRAM 等,技能难度都非常高,这是非常现实的议题。
福建晋华的风暴越滚越大,让海内担心芯片自主开拓一起,恐碰着空前阻碍,因此新式存储技能之路再度被提起,在这块领域上,海内业者多数是与国际大厂作技能授权,走出一条合法合规的道路。
然而,很多国际大厂虽然有这些技能,却选择把技能卖给其他公司去进行商用化,而非自己导入商用化,由于他们很清楚这些技能要达到商用化,乃至是盈利的目标,是一条更难的道路。
新式存储技能对付海内芯片家当究竟是新的救命丹?还是另一个钱坑?现在很难断定,走上这条路虽然可以避开主流存储技能上,国际大厂的知识产权权阻碍,但必须非常小心判断,否则,这只会成为海内芯片家当的另一个恐怖的“钱坑”。