福建晋华风暴后的救命丹是新式存储技术?五大“芯片之城”纷纷招手

商业
福建晋华风暴后的救命丹是新式存储技术?五大“芯片之城”纷纷招手
麻省理工科技评论 2018-11-30

2018-11-30

经历福建晋华风暴,国内积极发展的自主存储技术之路遇到重大绊脚石,因此,MRAM 、 ReRAM 、 PCM 等新式存储技术再度被拱上台面
商业 芯片
经历福建晋华风暴,国内积极发展的自主存储技术之路遇到重大绊脚石,因此,MRAM 、 ReRAM 、 PCM 等新式存储技术再度被拱上台面

经历福建晋华风暴,国内积极发展的自主存储技术之路遇到重大绊脚石,因此,MRAM 、 ReRAM 、 PCM 等新式存储技术再度被拱上台面,日前一座授权自 IBM 的 MRAM 技术 12 寸厂,先后有合肥、上海、深圳、南京、天津等五大城市“招手”,俨然成为各大城市打造“芯片之城”的热门项目,然而,新存储技术难度十分高,这会是国内芯片产业是救命丹?还是另一个巨额赌注?

近年来 IBM 成为国内多个新式存储项目的技术母厂,原本合肥已经抢到授权自 IBM 的 MRAM 技术 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产业铁三角,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,最后杀出上海、深圳、南京、天津等大城市也急欲抢夺这个 MRAM 项目, HMC 项目换了落脚地后,新公司的名称可能要跟着“改姓”!

眼前,主流的两大存储技术 DRAM 和 NAND Flash 已经被国际大厂牢牢掌握在手上,尤其 DRAM 技术是美光(Micron)、三星电子(Samsung Electronics)、SK 海力士(SK Hynix)三巨头寡占,因此福建晋华发展 DRAM 自有技术的火苗才刚刚有一点成果,这三大巨头都亟欲“捻熄”,深怕这利润丰厚的封闭市场被“第四者”入侵!


(来源:麻省理工科技评论)

NAND Flash 产业的供应商比较多,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 技术也都是国际大厂急欲保护的稀世珍宝,国内的长江存储自主 NAND Flash 技术已经研发成功,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 等新存储技术抬头

面对国际大厂以“嗜血”般的态度紧盯着国内主流存储技术的发展,另一股势力:新式存储技术再度被提起,包括 MRAM 、 ReRAM 、 PCM 等。

国内新式存储技术已经形成不少阵营,像是上海磁宇,以及海康威视旗下的海康驰拓都致力于 MRAM 技术开发。上海磁宇投入 40nm 的高密度垂直结构磁性随机存储器 pSTT-MRAM 技术,其团队来自于 MRAM 技术大本营 Everspin 和 TDK,且同时投入独立式(standalone)和嵌入式(embedded)两种技术和市场策略。

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术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事业部,2015 年 12 月该事业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 存储技术发展,团队来自高通(Qualcomm)、西部数据等众多半导体国际大厂,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 技术特性,前段工艺需要与逻辑技术的半导体厂合作,行业内人士透露,海康驰拓原本计划前段工艺技术是和中芯国际合作,但后来该商业模式有变化。

在关键的 MRAM 研发机台上,海康驰拓是与半导体设备龙头应用材料(Applied Materials)合作,应材对于新式存储技术研发的投入十分积极,提供针对 STT-MRAM 技术的不同设备给客户选择采用。

新式存储技术阵营开始绽放,成为“芯片之城”的新标的

值得注意的是,除了上海磁宇、海康驰拓之外,还有一家授权自 IBM 的 MRAM 技术团队,也积极在国内打造一座专门生产 MRAM 技术的 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 新厂初期是计划落户在合肥晶圆代工厂晶合的第二期工程厂内,后来上海、深圳等一线城市纷纷招手,该团队也转到这些地方评估,最后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 技术的 MRAM 存储项目招手。以此来看,各地方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,新式存储技术俨然成为最新标的。

另一个新式存储候选人是相变化记忆体(PCM)技术,这个曾经被业界视为非常难实践,甚至一度传出几乎被放弃的技术,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 新型态存储技术,被视为是 PCM 技术的一种。

英特尔与美光的 3D XPoint 技术燃起希望,PCM 技术死灰复燃

不但是技术开发,英特尔、美光也将该技术导入商用化。英特尔采用 3D XPoint 技术打造 Optane 品牌,与微软、 IBM 合作将该技术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 技术则是成立另一个品牌,名为 QuantX,但该产品线的进度一直在推迟。再者,英特尔、美光已经宣布在 NAND Flash 技术等合作上分道扬镳,其 3D XPoint 技术后续的发展也令人关切。


(来源:麻省理工科技评论)

然提到 PCM 技术必须一提的是,国内也有一家从事 PCM 技术研发和生产的企业:江苏时代芯存半导体。时代芯存成立于 2016 年,技术来源也是 IBM 的 PCM 技术,该项目总投资 130 亿元,规划年产能 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、江苏时代芯存,以及另一支授权自 IBM 的 MRAM 技术团队积极寻找崛起点,甚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 这类的存储技术已成为新一代“中国芯”的希望!

式存储技术较少知识产权包袱,但技术、商用化门槛十分高

新式存储技术十分迷人,因为随着摩尔定律放缓,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术,处处都被国际大厂的知识产权钳制,新进者发展起来比较没有包袱。

然而,无论是 MRAM、 PCM,或是 ReRAM 等技术,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术,却没有导入商用化,而是把技术卖给其他公司,这是为什么?因为他们很清楚这些技术要商用化,是一条更难的道路,因此不自己生产,而是选择“卖技术”让别人生产。由此可知,要非常小心新式存储技术的两面刃:救命丹与钱坑。

谁是 DRAM 、 NAND Flash 接班人?该问题争论数十年

我们日常生活中,无论是计算机、手机等都被主流的 DRAM 和 NAND Flash 技术和产品围绕,新式存储技术看似是一个全然陌生的领域,但因为 DRAM 、 NAND Flash 技术都在逼近摩尔定律的尽头,因此需要新的技术和材料来刺激产业往前,新式存储技术因此成为焦点。

在谈论新式存储技术前,先简单复习一下,非挥发性存储技术(Non-Volatile Memory)和挥发性存储技术(Volatile Memory)的差异。

我们最常听到的 DRAM 就是属于挥发性存储技术的代表,意思是当电流中断,存储的资料便会消失,其他如 RAM、 SRAM 等也都是挥发性存储技术。

相反地,非挥发性存储技术是指当电流关掉,所储存的资料并不会消失,这类的存储技术包括 NAND Flash 、 EEPROM 、 ROM 等,以及多数的新式存储技术包括磁阻式随机存取记忆体 MRAM 、可变电阻式随机存取记忆体(ReRAM)、相变化随机存取记忆体(PCM)、铁电随机存取记忆体(FRAM)等都是属于非挥发性存储阵营。

(来源:IEEE学生简报)

新式存储技术其实经历了超过十年的技术较劲,近年来,MRAM 技术算是最被看好的一支。

MRAM 技术的基本结构是由上、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一致,则隧道层处在低电阻的状态,反之则是高电阻状态,MRAM 的原理就是利用这种“磁性隧道结”的电阻变化来达到储存目的。

各种新式存储技术相争多年,MRAM 会在这一波潮流中突围,因为其优点是存取速度接近 SRAM,且具备 NAND Flash 的非挥发性特性,其容量密度也不输给 DRAM,而平均能耗远低于 DRAM。不过,MRAM 的磁性隧道结的结构理论上看似简单,但涉及非常多的物理学知识,研发难度非常高,即使研发成功,要导入商用化也是另一个挑战。

MRAM 技术可分为传统的 MRAM 和 STT-MRAM 两大类,前者采用磁场驱动,后者采用自旋极化电流驱动。

另一项新型的非挥发性存储技术是 PCM,也称为 PRAM(Phase-change RAM),也就是上述英特尔、美光、时代芯存所投入的技术。

PCM 技术类似于三明治的结构,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化来存储不同的数值。

PCM 的优点是读写速度快、耐用、非挥发性等,读取速度大幅快于快闪记忆体,而 PCM 写入次数也远高于快闪记忆体。

过去 PCM 受限于成本过高和储存有限,一个储存单位(cell)仅能存 1 个 bit,难以应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 技术是每储存单位可存 3 个 bit,且不受周围温度影响,大幅度提升 PCM 实际应用于商业的可能。

ReRAM 也有不少支持者,与 PCM 的原理结构有相似之处,是由上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、写入速度比 NAND Flash 快。

新式存储技术的迷人之处是有着取代 DRAM 和 NAND Flash 两大主流技术的美梦。然从另一个角度观察,新式存储技术也是半导体产业中,旧权威(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术的开发,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,但不得不注意的是,无论 是 MRAM 、 PCM 、 ReRAM 等,技术难度都非常高,这是非常现实的议题。

福建晋华的风暴越滚越大,让国内担心芯片自主开发一路,恐遇到空前阻碍,因此新式存储技术之路再度被提起,在这块领域上,国内业者多数是与国际大厂作技术授权,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术,却选择把技术卖给其他公司去进行商用化,而非自己导入商用化,因为他们很清楚这些技术要达到商用化,甚至是盈利的目标,是一条更难的道路。

新式存储技术对于国内芯片产业究竟是新的救命丹?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术上,国际大厂的知识产权权阻碍,但必须非常小心判断,否则,这只会成为国内芯片产业的另一个可怕的“钱坑”。


麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech