存儲器行業(yè)專題研究：雙墻阻礙算力升級 探討四大新型存儲應(yīng)用

傳統(tǒng)存儲難破雙墻阻礙，智聯(lián)時代新型存儲應(yīng)運而生。AIoT、5G、智能汽車等新興應(yīng)用場景對數(shù)據(jù)存儲在容量、速度、功耗、成本、可靠性等層面提出更高要求。但CPU 與存儲芯片間的“性能墻”與各級存儲芯片間的“存儲墻”成為限制傳統(tǒng)存儲器應(yīng)用于新興領(lǐng)域的兩座難關(guān)。基于材料介質(zhì)改造或技術(shù)升級的PCRAM、MRAM、ReRAM 和FeRAM 四大類新型存儲，或?qū)⒊蔀槲磥泶鎯ζ鞯陌l(fā)展趨勢之一。

模糊外存和主存界限，PCRAM 產(chǎn)業(yè)化面臨障礙。PCRAM（相變存儲器）通過改變溫度實現(xiàn)相變材料電阻變化，以此為基礎(chǔ)存儲數(shù)據(jù)信息。PCRAM 目前無物理極限，厚度2nm 的相變材料可以實現(xiàn)存儲功能，因此可能解決存儲器工藝的物理極限問題，成為未來通用的新一代半導(dǎo)體存儲器件之一。國際廠商英特爾先后與三星、美光合作開展PCRAM 研發(fā)，國內(nèi)廠商時代全芯也已掌握研發(fā)、生產(chǎn)工藝和自主知識產(chǎn)權(quán)。但PCRMA 對溫度的高敏感度、存儲密度過低、高成本、低良率等問題限制其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，2021 年美光宣布停止基于3D XPoint 技術(shù)產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)。

MRAM產(chǎn)品進(jìn)入量產(chǎn)，eMRAM替代SRAM空間大。MRAM（磁存儲器）的基本單位為磁隧道結(jié)（MTJ），Everspin 為獨立式MRAM 龍頭，IBM、三星、瑞薩走在嵌入式MRAM 技術(shù)前沿。其中，獨立式MRAM 目前已經(jīng)應(yīng)用于航空、航天、軍工等對可靠性要求較高的領(lǐng)域，但市場規(guī)模較小。嵌入式MRAM已成功進(jìn)入MCU 嵌入式系統(tǒng)，并逐步替代慢速SRAM 成為工作緩存新方案，應(yīng)用于相機(jī)CMOS 等。未來嵌入式MRAM 更具成長空間，提速降價后有望替代SRAM 或eDRAM 等高速緩存，進(jìn)入手機(jī)SoC 和CPU 等產(chǎn)品。

ReRAM有望替代eFlash，成長空間廣闊。ReRAM（可變電阻式存儲器）以基本單位電阻變化存儲數(shù)據(jù)。Data Bridge 測算2022 年全球ReRAM 市場規(guī)模為6.07 億美元，預(yù)計2030 年有望達(dá)到21.60 億美元。松下、富士通等為ReRAM 產(chǎn)品主要設(shè)計廠商，國內(nèi)兆易創(chuàng)新與昕原半導(dǎo)體也基本實現(xiàn)商業(yè)化。

其中，獨立式ReRAM目前在工業(yè)級小容量存儲得到廣泛應(yīng)用，并在IoT 領(lǐng)域逐步替代NOR FLASH，突破容量和讀寫速度后有望替代閃存進(jìn)入企業(yè)級存儲市場。嵌入式ReRAM 目前已替代eFLash 可用于模擬芯片內(nèi)，進(jìn)一步有望進(jìn)入MCU 芯片等，技術(shù)長足發(fā)展后有望進(jìn)入CPU 作為最后一級高速緩存。

FeRAM 研發(fā)正當(dāng)時，多種優(yōu)勢突破傳統(tǒng)存儲限制。FeRAM 具有非易失性、讀寫速度快、壽命長、功耗低、可靠性高等特點。小部分FeRAM 產(chǎn)品已實現(xiàn)量產(chǎn)。但FeRAM存儲密度較低，容量有限，無法完全取代DRAM與NANDFlash，在對容量要求不高、讀寫速度要求高、讀寫頻率高、使用壽命要求長的場景中擁有發(fā)展?jié)摿ΑH廠商英飛凌、富士通等已實現(xiàn)FeRAM 在汽車電子的應(yīng)用，國內(nèi)廠商匯峰已實現(xiàn)130nm 制程FeRAM 產(chǎn)品小批量量產(chǎn)。目前FeRAM 技術(shù)瓶頸尚在，仍需繼續(xù)研究突破。

四種新型存儲優(yōu)勢各異。持久性方面，MRAM、FeRAM 較高；存儲密度方面，F(xiàn)eRAM 較低，MRAM、PCM、RRAM 較高；讀寫速度方面，F(xiàn)eRAM最快；讀寫功耗方面，PCM 最高，MRAM、FeRAM、RRAM 均較低；抗輻射方面，除MRAM 外，其他均較高。

風(fēng)險提示：技術(shù)進(jìn)展不及預(yù)期的風(fēng)險/市場規(guī)模增速不及預(yù)期的風(fēng)險

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