存储器芯片的使用现状
及未来发展趋势
文献综述
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存储器芯片的使用现状及发展趋势——文献综述
一、选题背景
存储器广泛应用于计算机、消费电子、网络存储、物联网、国家安全等重要领域，是一种重要的、基础性的产品。当前，伴随着第五代移动通信、物联网和大数据的快速发展，存储器的需求量迅速增加，存储容量、存取速度、功耗、可靠性和使用寿命等指标要求也越来越高。世界各大企业在这方面出现“百家争鸣、百花齐放”的大好局面，涌现出多种新型存储器，并且工艺水平和性能都在不断提高，给消费者提供了更多的选择空间。
二、相关问题现状研究综述
我们一般会将存储器划分为，易失性存储器和非易失性存储器，这种划分是根据断电后数据是否丢失而决定的。现有技术中，整个存储器芯片行业主要有三种种产品：DRAM、NAND FLASH和NOR FLASH。DRAM是易失性存储器的代表，NAND Flash和NOR FLASH是非易失性存储器的代表。尽管按照不同的分类特点，可形成存众多种类的储存芯片，但从该行业产业结构分析，上述三种存储器毫无疑问是全球重点厂商最为关注的产品领域。
NAND FLASH和DRAM都是硅基互补金属氧化物半导体器件，在摩尔定律和海量数据存储需求的推动下，不断向大容量、高密度、快速、低功耗、长寿命方向发展。但随着特征尺寸不断减小至接近原子级，传统平面型结构遇到无法跨越的性能障碍，存储器的性能和可靠性达到极限，而且新工艺节点开发成本迅速增加，进一步降低预期收益。
因此，存储器向两大方向转型发展：一是继续沿用硅基材料，用垂直堆叠替代特征尺寸微缩，从平面转向立体结构；二是使用新材料和新结构研制新兴传感器技术。前者的挑战是开发出可实现8层到32层甚至64层连续堆叠的材料和生产工艺，并保证每一层存储器性电性能的一致可控。后者的挑战是论证开发配套生产工艺，并保证新材料不会对既有生产线造成污染、产品性能优于现有存储器和可长期可靠使用等。
新材料、结构和物理效应方面研究的不断突破，使得其他新兴存储器技术也因此得到发展。新兴存储器以大容量、低功耗、高速读写、超长保存周期、数据安全等为发展目标，包括利用自发极化现象开发的铁电随机存储器（FRAM）、利用电致相变现象的相变存储器（PCM）、利用磁电阻效应开发的磁性随机存储器（MRAM）、利用电致电阻转变效应开发的电阻随机存储器（RRAM），以及赛道存储
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存储器芯片的使用现状及发展趋势——文献综述
器、铁电晶体管随机存储器（FeTRAM）、导电桥梁随机存储器（CBRAM）、内容寻址存储器（CAM）等。
铁电随机存储器（FRAM）：它包含由锆钛酸铅制成的铁电薄膜，其中心原子可在外加电场时顺着电场方向在晶体里移动，并在通过能量壁垒时引起电荷击穿，该击穿可被内部电路感应并记录，当移去电场后中心原子保持不动，实现数据的非易失性存储。与一般非易失性存储器相比，FRAM的耐受性和读写速度分别提升1万和500倍、功耗降低70%，并具有极高的安全性和防篡改能力、长达10年的数据保存期、与标准集成电路制造工艺兼容等优点。
相变存储器（PCM）：它利用含锗、锑、碲合成材料在不同相间的电阻差异进行信息的非易失性存储，具有与DRAM相媲美的位可修改和快速读写能力；“可执行”特性可将程序代码与数据分开，适用于手机等数据处理量较大的应用；数据保存期长达10年，并与读写次数无关；易微缩，且微缩更利于优化功耗和性能。目前，PCM的主要研发厂商包括英特尔、美光、恒忆、IBM等。2012年7月，美光公司开始量产采用45纳米制成全球首个1Gb PCM产品，并投入手机和平板电脑的应用，使启动时间更短、功耗更低、续航能力更长。2015年5月，IBM在PCM的研究中取得重大突破，有效解决PCM多层存储单元中存在的电阻漂移现象和温度影响两大问题，有力推动PCM的继续发展。
磁性随机存储器（MRAM）：它依据不同磁化方向致磁电阻不同的原理来进行信息的非易失性存储，具有与传统存储器相同的高读写速度和高集成度、大于20年的数据保存期、大于1014次的读写次数、超低功耗和超强抗辐射能力等优点。
电阻随机存储器（RRAM）：它依托具有记忆功能的线性电阻在不同电流呈现不同阻值的特性来进行信息的非易失性存储，具有制备简单、读取时间少于10纳秒、写入时间约为0.1纳秒、存储密度高、半导体工艺兼容性好等优点。目前，RRAM仍处于研制阶段，主要参研单位包括三星、比利时微电子研究中心（IMEC）、松下、美光、闪迪和初创公司Crossbar等。
尽管随着技术的发展，新兴存储器的性能不断得到优化，但新兴存储器仍只是对现有存储器的一种补充，距离完全替代尚无明确的时间预期。
在我国集成电路市场需求中，存储器一直是占据市场份额最大、增速最快的产品类型，如存储器占2015年我国集成电路总用量的第一位，占比达到25.4%。我国国产存储器技术虽然不断突破，但主要还是依靠进口满足使用需求，这不仅导致了大量外汇的流失，还给我国社会经济和国防安全带来巨大潜在危险。以下
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是我国存储芯片与国外的制造工艺对比： 存储器名称 NOR FLASH BIOS存储器） 3D闪存芯片（如SSD3D NAND FLASH 里的闪存） 内存条和移动内存芯DRAM 片 55nm（技术储备） 量产20-55nm 实验室（9层） 量产（48层） 用途 逻辑芯片（如主板量产55nm 量产28-55nm 我国制造工艺 国外制造工艺 通过存储芯片的技术水平对比，我国目前仅能批量生产55nm级别的NOR FLASH，用于主板BIOS芯片等小容量、写入慢的逻辑芯片。3D NAND闪存也仅在实验室状态下，完成9层结构的存储芯片的存储器功能的电学验证。DRAM则干脆处于技术储备、规划当中，短期内无量产可能。
从目前来看，3D NAND是未来发展必然趋势，随着半导体工艺技术要求的不断深入，考虑复杂工艺的成本要求，现阶段市场主流的通过平面工艺制程缩减难度增加，在存储器竞争节点已经迈入16nm关口后，已经变得不再划算。因此全球各存储器主要生产厂家都开始了积极研发布局基于三维结构的3D NAND，从2015年开始，部分产品会逐渐进入量产阶段，Nand的3D封装趋势很快会到来。
三、个人观点及总结
存储器不仅在计算机，而且在手机、物联网、汽车等应用市场已成为巨大需求。眼下，各类存储器在新材料、新制造工艺的带动下不断发展和完善。未来存储器在追求大容量、高速度的同时，仍将继续保持低功耗和低成本，业界对新的存储技术正在进行着不懈探索。但是从目前的信息资料来看，至少是未来3年内 DRAM、NAND FLASH和NOR FLASH仍是主流。
另外，对我国来说，存储芯片自主国产化是眼前我国存储器芯片发展的根本。收购国外存储芯片厂家则是拓展加速，双管齐下的目的是为了加速存储芯片的自主生产进程。存储芯片国产化是一项艰巨的工程，必须要敢于啃硬骨头，存储芯片的四大特性决定了国产化工程离不开政府的强力支持。我国做存储器芯片产业一定要正向面对主战场，除了资金支持外，政府应当从人才到产业链配套等领域全面持续加大对存储芯片产业的支持，这样才能在不断提升我国的存储器芯片产业链自主程度的基础上实现赶超。
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参考文献
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[4] 许兴军.《存储芯片行业研究报告》.中国存储网存储资讯.2015-9 [5] 覃崇直.《存储器芯片发展现状对我国的启示》 .中国产业信息网.2016-8
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存储器的文献综述
