千億美元蛋糕！3D DRAM分食之戰悄然開(kāi)局

從目前公開(kāi)的DRAM（內存）技術(shù)來(lái)看，業(yè)界認為，3D DRAM是DRAM技術(shù)困局的破解方法之一，是未來(lái)內存市場(chǎng)的重要發(fā)展方向。

3D DRAM與3D NAND是否異曲同工？如何解決尺寸限制等行業(yè)技術(shù)痛點(diǎn)？大廠(chǎng)布局情況？

如何理解3D DRAM？

DRAM（內存）單元電路是由一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器組成，其中，晶體管負責傳輸電流，使信息（位）能夠被寫(xiě)入或讀取，電容器則用于存儲位。DRAM廣泛應用于現代計算機、顯卡、便攜式設備和游戲機等需要低成本和高容量?jì)却娴臄底蛛娮釉O備。

DRAM開(kāi)發(fā)主要通過(guò)減小電路線(xiàn)寬來(lái)提高集成度，但隨著(zhù)線(xiàn)寬進(jìn)入10nm范圍，電容器電流泄漏和干擾等物理限制顯著(zhù)增加，為了防止這種情況，業(yè)界引入了高介電常數（高K）沉積材料和極紫外（EUV）設備等新材料和設備。但從芯片制造商角度上看，微型化制造10nm或更先進(jìn)的芯片仍是目前技術(shù)研發(fā)的巨大挑戰。此外，近期尤其是2nm及以下制程的先進(jìn)制程角逐戰異常激烈。

在技術(shù)節點(diǎn)不斷更新迭代以及芯片整體面積不斷縮小的情況下，半導體業(yè)界將目光看向NAND的技術(shù)演變，為了克服尺寸限制，將晶體管從平面轉換為3D架構，以提高單位面積的存儲單元數量，由此3D DRAM的架構設想正式面向公眾視野。通俗來(lái)講，傳統DRAM的結構是晶體管集成在一個(gè)平面上，3D DRAM則將晶體管堆疊為n層，從而分散晶體管。業(yè)界稱(chēng)，采用3D DRAM結構可以擴大晶體管之間的間隙，減少泄漏電流和干擾等。

從原理上理解，3D DRAM技術(shù)打破了內存技術(shù)陳舊的范式，它其實(shí)是一種將存儲單元（Cell）堆疊至邏輯單元上方的新型存儲方式，以在單位晶圓面積上實(shí)現更高的容量。

從差異性上看，傳統的DRAM在讀取和寫(xiě)入數據時(shí)需要經(jīng)過(guò)復雜的操作流程，而3D DRAM可直接通過(guò)垂直堆疊的存儲單元讀取和寫(xiě)入數據，極大地提高了訪(fǎng)問(wèn)速度。3D DRAM優(yōu)勢不僅在于大容量、數據訪(fǎng)問(wèn)速度快，同時(shí)還具有低功耗、高可靠性等特點(diǎn)，滿(mǎn)足各種應用場(chǎng)景需要。

從應用領(lǐng)域上看，3D DRAM具備高速度和大容量，將有助于提升高性能計算的效率和性能；3D DRAM因具有小巧體積和大容量的特點(diǎn)，成為移動(dòng)設備的理想內存解決方案；3D DRAM的大容量和低功耗特性可滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域實(shí)時(shí)處理和傳輸數據的需求。

此外，自ChatGPT開(kāi)啟了AI大浪潮時(shí)代，AI應用技術(shù)爆火，AI服務(wù)器有望成為存儲需求長(cháng)期增長(cháng)的強勁驅動(dòng)力。據美光測算，AI服務(wù)器中DRAM數量是傳統服務(wù)器的8倍，NAND是傳統的3倍。

業(yè)界持續發(fā)力3D DRAM

DRAM市場(chǎng)高度集中，目前主要由三星電子、SK海力士和美光科技等廠(chǎng)商主導，值得一提的是，這三家共同占據了DRAM整個(gè)市場(chǎng)的93%以上。

據TrendForce集邦咨詢(xún)研究顯示，在2023年第三季度DRAM市場(chǎng)中，三星的市占率為38.9%，居位全球第一、其次是SK海力士（34.3%）、美光科技（22.8%）。

據業(yè)界人士預計，3D DRAM市場(chǎng)將在未來(lái)幾年快速增長(cháng)，到2028年將達到1000億美元。

目前，3D DRAM處于早期研發(fā)階段，包括三星等各方正在加入研發(fā)戰局，競爭激烈，以引領(lǐng)這一快速增長(cháng)的市場(chǎng)。

三星：4F2 DRAM

三星從2019年開(kāi)始了3D DRAM的研究，并在這一年的10月宣布開(kāi)發(fā)出業(yè)界首個(gè)12層 3D-TSV（硅通孔）技術(shù)。2021年，三星在其DS部門(mén)內建立了下一代工藝開(kāi)發(fā)研究團隊，專(zhuān)注該領(lǐng)域研究。

在2022年的SAFE論壇上，三星列出了Samsung Foundry 的整體3DIC歷程，并表示將準備用一種邏輯堆棧芯片SAINT-D，來(lái)處理DRAM堆疊問(wèn)題，其設計目的是想將八個(gè)HBM3芯片集成到一個(gè)巨大的中介層芯片上。

圖片來(lái)源：三星官網(wǎng)

2023年5月，據《The Elec》引用知情人士消息稱(chēng)，三星電子在其半導體研究中心內組建了一個(gè)開(kāi)發(fā)團隊，以量產(chǎn)4F2結構DRAM，其目標是將4F2應用于10納米或以下節點(diǎn)的DRAM制程，因為以目前的技術(shù)預計會(huì )面臨線(xiàn)寬縮減的極限。報道稱(chēng)，如果三星4F2 DRAM存儲單元結構研究成功，在不改變節點(diǎn)的情況下，與現有的6F2 DRAM存儲單元結構相比，芯片DIE面積可以減少30%左右。

同年10月，三星電子在“內存技術(shù)日”活動(dòng)上宣布,計劃在下一代10納米或更低的DRAM中引入新的3D結構，而不是現有的2D平面結構。該計劃旨在克服3D垂直結構縮小芯片面積的限制并提高性能，將一顆芯片的容量增加100G以上。

三星電子去年在日本舉行的“VLSI研討會(huì )”上發(fā)表了一篇包含3D DRAM研究成果的論文，并展示了作為實(shí)際半導體實(shí)現的3D DRAM的詳細圖像。

據《The Economictimes Times》報道，三星電子于近日稱(chēng)已在美國硅谷開(kāi)設了一個(gè)新的R&D研究實(shí)驗室，專(zhuān)注于下一代3D DRAM芯片的開(kāi)發(fā)。該實(shí)驗室位于硅谷Device Solutions America（DSA）運營(yíng)之下，負責監督三星在美國的半導體生產(chǎn)，并致力于開(kāi)發(fā)新一代的DRAM產(chǎn)品。

SK海力士：將IGZO作為3D DRAM的下一代通道材料

SK海力士認為，3D DRAM可以解決帶寬和延遲方面的挑戰，并已在2021年開(kāi)始研究。

據韓媒《BusinessKorea》去年報道，SK海力士提出了將IGZO作為3D DRAM的新一代通道材料。

IGZO是由銦、鎵、氧化鋅組成的金屬氧化物材料，大致分為非晶質(zhì)-IGZO和晶化IGZO（c-IGZO），其中，c-IGZO是一種物理、化學(xué)穩定的材料，在半導體工藝過(guò)程中可保持均勻的結構，SK海力士研究的正是這種材料。

據業(yè)界人士表示，IGZO 的最大優(yōu)勢是其低待機功耗，這種特點(diǎn)適合要求長(cháng)續航時(shí)間的DRAM芯晶體管。通過(guò)調節In、Ga、ZnO等三個(gè)成分的組成比，很容易實(shí)現。

NEO：3D X-DRAM密度可提高8倍

美國存儲器技術(shù)公司NEO Semiconductor推出其突破性技術(shù) 3D X-DRAM，為解決DRAM 容量瓶頸。

3D X-DRAM是第一個(gè)基于無(wú)電容器浮體單元（FBC）技術(shù)的類(lèi)似3D NAND的DRAM單元陣列結構。其技術(shù)邏輯與3D NAND Flash類(lèi)似，通過(guò)堆疊層數提高存儲器容量，類(lèi)似3D NAND Flash芯片的FBC 技術(shù)，增加一層光罩就形成垂直結構，有良率高、成本低、密度大幅提升等優(yōu)點(diǎn)。

圖片來(lái)源：NEO Semiconductor官方截圖

據 Neo 的估計，3D X-DRAM技術(shù)可以實(shí)現 230層128 Gb 密度，這是當今 DRAM 密度的 8 倍。NEO提出，每10年容量提升8倍的目標，將在2030到2035年間實(shí)現1Tb的容量，較現DRAM核心容量達64倍提升，滿(mǎn)足ChatGPT等AI應用對高性能和大容量存儲器半導體的增長(cháng)需求。

NEO聯(lián)合創(chuàng )始人兼首席執行官Andy Hsu認為，3D X-DRAM將是半導體行業(yè)未來(lái)絕對的增長(cháng)動(dòng)力。

日本研究團隊：BBCube 3D，比DDR5高30倍

日本東京理工大學(xué)研究團隊提出了一種名為BBCube的3D DRAM 堆棧設計技術(shù)，該技術(shù)可以讓處理單元和動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)之間更好地集成。

BBCube 3D最顯著(zhù)的方面是實(shí)現了處理單元和DRAM之間的三維而非二維連接。該團隊使用創(chuàng )新的堆疊結構，其中處理器管芯位于多層DRAM之上，所有組件通過(guò)硅通孔（TSV）互連。

BBCube 3D 的整體結構緊湊、沒(méi)有典型的焊料微凸塊以及使用 TSV 代替較長(cháng)的電線(xiàn)，共同有助于實(shí)現低寄生電容和低電阻，在各方面改善了該器件的電氣性能。

圖片來(lái)源：東京工業(yè)大學(xué)官方截圖

該研究團隊評估了新體系結構的速度，并將其與兩種最先進(jìn)的存儲器技術(shù)（DDR5和HBM2E）進(jìn)行了比較。研究人員稱(chēng)，BBCube 3D有可能實(shí)現每秒1.6兆字節的帶寬，比DDR5高30倍，比HBM2E高4倍。

圖片來(lái)源：東京工業(yè)大學(xué)官方截圖

此外，由于BBCube具有低熱阻和低阻抗等特性，3D集成可能出現的熱管理和電源問(wèn)題可得到緩解，新技術(shù)在顯著(zhù)提高帶寬的同時(shí)，比特訪(fǎng)問(wèn)能量分別為DDR5和HBM2E的1/20和1/5。

結語(yǔ)

DRAM技術(shù)從1D到2D，再到如今結構各異的3D，為業(yè)界貢獻了解決行業(yè)痛點(diǎn)的多樣式方案，不過(guò)如何優(yōu)化和改善制造成本、耐久性和可靠性等仍是業(yè)界努力挑戰3D DRAM技術(shù)的難題。由于開(kāi)發(fā)新材料的困難和物理限制，3D DRAM的商業(yè)化還需要一些時(shí)間。

從當前研究進(jìn)度看，目前業(yè)界正在進(jìn)行很多關(guān)于3D DRAM結構的研發(fā)，該結構還處于早期階段，據業(yè)內人士預測，3D DRAM將在2025年左右開(kāi)始問(wèn)世，而實(shí)際量產(chǎn)在2030年后成為可能。