中國半導體存儲行業(yè)未來(lái)50年發(fā)展路線(xiàn)圖

　　存儲器產(chǎn)業(yè)芯片國產(chǎn)化之路邁出的重要一步：芯片國產(chǎn)化是中國政府在信息安全自主可控政策領(lǐng)域的實(shí)踐領(lǐng)域之一，作為信息技術(shù)的基礎產(chǎn)業(yè)，半導體集成電路持續叐到國家政策的扶持，近期仍國家層面到地方層面的政策及資本的持續也是持續不斷。

　　全球產(chǎn)業(yè)處于周期性底部有利于新生力量的崛起：盡管仍2016年第事季度起存儲器行業(yè)的產(chǎn)品價(jià)格出現了回升，但是行業(yè)整體仌然處二周期性底部的位置，市場(chǎng)主要廠(chǎng)商三星、海力士、美先等在資本開(kāi)支產(chǎn)能擴張方面仌然較為謹慎，而我們訃為在智能秱勱終端需求、數據中心服務(wù)器需求以及固態(tài)影片需求帶勱的情冴，DRAM和NAND Flash市場(chǎng)均有逐步仍供過(guò)二求向供給丌足轉秱的趨勢，而在這種行業(yè)周期性底部有轉發(fā)趨勢的情冴下，中國大陸地匙的逆周期投資有望推勱國內廠(chǎng)商成為市場(chǎng)內崛起的新生力量。

　一、存儲器是系統的核心基礎部件

　　存儲器(Memory)，顧名思義是在電子計算機系統中用于存放信息的器件。任何電子計算機系統在運行的過(guò)程中，包括輸入的原始數據、程序本身、中間運行結果和最終運行結果都需要保存在存儲器中。存儲器是電子系統的基礎核心部件之一，是系統正常運作的保障。

　　(一)存儲器的發(fā)展伴隨著(zhù)電子計算機的歷程

　　存儲器的發(fā)展幾乎是伴隨著(zhù)電子計算機的發(fā)展歷程而來(lái)的。在發(fā)展之初，采用汞線(xiàn)延遲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行信息的存儲和讀寫(xiě)，之后采用磁性材料，再到光學(xué)材料等存儲器設備，盡管獲得了較大的改善，但是仍然面臨體積龐大、性能有限的挑戰，對應用領(lǐng)域的拓展造成了不小的阻礙。

　　得益于集成電路技術(shù)的發(fā)展與成熟，采用半導體集成電路方式制造的存儲器IC芯片獲得了廣泛的采用。隨著(zhù)在存儲介質(zhì)的演進(jìn)，設計架構的更新和工藝水平的提高，IC存儲器在存儲密度、讀寫(xiě)速度等性能持續提高，同時(shí)能耗、單位存儲單元成本持續降低，IC存儲器的發(fā)展也充分享受摩爾定理集成電路演進(jìn)歷程。

　　圖1：存儲器的収展歷秳

　　縱觀(guān)整個(gè)發(fā)展歷程我們看到，1967年科技巨頭IBM提出DRAM規格以及之后的持續演進(jìn)使其成為了目前包括PC、服務(wù)器、手機、車(chē)載等終端產(chǎn)品內存行業(yè)的主要技術(shù)。1984年舛岡富士雄博士提出了Flash Memory技術(shù)以及之后演進(jìn)中Intel提出的NOR和東芝提出的NAND架構形成了目前外設存儲器的主流。上述兩項技術(shù)的提出對于現代的半導體集成電路存儲器產(chǎn)業(yè)形成了深遠的影響。

　　(二)半導體存儲器芯片的核心分類(lèi)：DRAM和Flash Memory

　　從上述的研究我們可以看到，存儲器經(jīng)歷了與電子計算機幾乎一樣長(cháng)的發(fā)展歷程，包括磁盤(pán)、光盤(pán)、IC工藝材料等不同產(chǎn)品已經(jīng)形成了在不同應用領(lǐng)域中成熟有效的應用分工。存儲器的分類(lèi)方式很多，按照存儲介質(zhì)分類(lèi)來(lái)說(shuō)，通?？梢苑譃榘雽wIC存儲器、磁性存儲器和光存儲器等，在本報告中，我們聚焦在半導體IC存儲器，關(guān)注存儲器芯片行業(yè)。

　　半導體存儲器按照斷電后數據信息是否能夠保留可以分為兩個(gè)大類(lèi)，易失性存儲器和非易失性存儲器，前者在外部電源切斷后，存儲器內的數據也隨之消失，代表產(chǎn)品是DRAM，而后者則能夠保持所存儲的內容，代表產(chǎn)品是FlashMemory。

　　圖2：半導體存儲器的分類(lèi)

　　DRAM作為易失性存儲器產(chǎn)品的代表，主要用于各類(lèi)PC、服務(wù)器、工作站的內部存儲單元，憑借其在存取速度和存取容量方面的折衷性能，實(shí)現在核心處理器和外部存儲器之間形成緩存空間。隨著(zhù)移動(dòng)終端的迅速發(fā)展，DRAM在智能手機中的應用規模也在持續加大。

　　Flash Memory作為非易失性存儲器的代表，主要應用于存儲卡、U盤(pán)、SSD固態(tài)硬盤(pán)、移動(dòng)終端的內部嵌入式存儲器等，其可快速讀寫(xiě)不丟失以及可集成的特性，使得其在移動(dòng)終端及便攜式移動(dòng)存儲器產(chǎn)品中有著(zhù)廣泛的應用場(chǎng)景。

　　(三)未來(lái)存儲器芯片的方向：相變存儲器(PCM)

　　傳統的半導體集成電路存儲器無(wú)論是DRAM還是Flash，其基本原理均是通過(guò)對于電荷的多寡形成的電勢高低來(lái)進(jìn)行“0”和“1”的判斷，進(jìn)而實(shí)現信息的存儲。產(chǎn)業(yè)對于存儲器結構和原理的研究始終沒(méi)有停歇，近期，各研究機構及資本市場(chǎng)熱點(diǎn)關(guān)注相變化存儲器(PhaseChange Memory，簡(jiǎn)稱(chēng)PCM)。該存儲器非易失真原理與Flash的浮動(dòng)柵鎖住電荷原理不同，是通過(guò)施加特定電流使硫族化物玻璃(目前多數為GeSbTe合金)在晶態(tài)和非晶態(tài)兩相之間改變，由于晶態(tài)和非晶態(tài)的電阻特性不同，電路通過(guò)讀取不同電阻值來(lái)獲取存儲的數據。

　　如圖所示，施加強電流并快速淬火，使硫系化合物溫度升高到熔化溫度以上，經(jīng)快速冷卻，可以使多晶的長(cháng)程有序遭到破壞，實(shí)現晶體向非晶體的轉換，通常用時(shí)不到100ns;施加中等強度的電流，硫系化合物的溫度升高到結晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時(shí)間，實(shí)現晶體向非晶體的轉換。

　　圖3：晶體不非晶體相于轉換

　　圖4：GeSbTe加熱原理

　　PCM可以直接改變操作位的數據而不需要單獨進(jìn)行擦除步驟，減少了寫(xiě)操作的開(kāi)銷(xiāo)，并且直接讀取電阻值判斷大小，有效提高讀取速度。由于Flash的浮動(dòng)柵存儲結構尺寸難以縮減，這是因為浮動(dòng)柵級的厚度是一定的，而PCM不需要存儲電子元件，因此它沒(méi)有電子元件存儲的擴展問(wèn)題，盡管同樣采用了半導體平面化工藝來(lái)實(shí)現器件的生產(chǎn)加工，PCM的存儲密度可以做得更大。

　　表1：存儲器產(chǎn)品類(lèi)型的特性比較

　　上表中可以看出與DRAM相比，盡管讀寫(xiě)速度略低，但是PCM是一種非易失性的存儲器，而與NANDFlash相比，PCM則在讀寫(xiě)速度和可靠性方面具有優(yōu)勢，并且有很小的理論工藝制程可以做到更高的存儲密度。隨著(zhù)PCM的技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)單位成本的下降，與DRAM和Flash產(chǎn)品可以形成優(yōu)勢互補，甚至做到超越，目前PCM已經(jīng)被部分廠(chǎng)商應用于實(shí)際的產(chǎn)品中，是一項具備未來(lái)發(fā)展潛力的技術(shù)。