全面解析存儲芯片技術知識

本文來自“深度報告：存儲市場柳暗花明，國產(chǎn)替代未艾方興”。存儲芯片屬于半導體中集成電路的范疇，是目前應用面最廣、標準化程度最高的集成電路基礎性產(chǎn)品之一。半導體按照產(chǎn)品分類可分為光電器件、傳感器件、分立器件和集成電路四大類，占半導體價值量比例最高的為集成電路，約占整個半導體行業(yè)市場規(guī)模的 82.64%，其主要包括模擬芯片、微處理器芯片、邏輯芯片和存儲芯片等四種。

存儲設備是計算機系統(tǒng)中用于存儲和讀取數(shù)據(jù)的硬件組件，按存儲介質不同可分為光學存儲、磁性存儲和半導體存儲。

光存儲器是指用光學方法從光存儲媒體上讀取和存儲數(shù)據(jù)的一種設備，一般指光盤機、光帶機和光卡機等。

磁性存儲，是指利用磁能方式存儲信息的磁介質設備，其存儲與讀取過程需要磁性盤片的機械運動，目前廣泛應用于 PC硬盤、移動硬盤等領域；

存儲芯片，又稱為半導體存儲器，是指利用電能方式存儲信息的半導體介質設備，其存儲與讀取過程體現(xiàn)為電子的存儲或釋放，廣泛應用于內(nèi)存、U 盤、消費電子、智能終端、固態(tài)存儲硬盤等領域。

按照斷電后是否保留存儲的信息，存儲芯片主要可分為易失性存儲芯片（RAM）和非易失性存儲芯片（ROM）。

RAM 為隨機存儲器，斷電后不會保存數(shù)據(jù)，主要產(chǎn)品包括 SRAM 和 DRAM，DRAM 即動態(tài)隨機存儲器，使用電容存儲，DRAM 的一個比特使用一個電容和一個晶體管存儲，由于電容會漏電，因此需要定時刷新一次存儲單元來保持數(shù)據(jù)；SRAM 即靜態(tài)隨機存儲器，其內(nèi)部結構比 DRAM 復雜，可以在不刷新電路下保存數(shù)據(jù)。

ROM 是一種存儲固定信息的存儲器，在正常工作狀態(tài)下只能讀取數(shù)據(jù)，不能即時修改或重新寫入數(shù)據(jù)，在外部電源切斷后仍能保存數(shù)據(jù)，讀取速度較慢但存儲容量更大，主要包括 EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲器）、Flash (閃存芯片)、PROM(可編程只讀存儲器)、EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)等。

根據(jù)具體的功能，可以將計算機中的存儲器細分為寄存器、高速緩存、主存儲器、磁盤緩存、固定磁盤、可移動存儲介質等 6 層。從 CPU Cache、內(nèi)存到 SSD 和 HDD，構成了計算機的存儲體系，各層只和相鄰的層交換數(shù)據(jù)，隨著層級由高到低，設備容量變大、離 CPU 距離變遠、訪問速度變慢、傳輸時間變長，并且每字節(jié)的造價成本也越來越便宜。

CPU中的寄存器位于最頂部，記為L0，它使用 SRAM 芯片做成，集成在CPU 的內(nèi)部，其容量有限、速度極快、和 CPU 同步；

緩存是一種小而快的存儲器，一般作為 DRAM 的緩沖，采用 SRAM 技術實現(xiàn)，通常也會被集成在 CPU 內(nèi)部；

主存一般由 DRAM 組成，和SRAM 不同，其存儲密度更高，容量更大，價格更低，速度也更慢。綜合來看，SRAM 價格貴、速度快，DRAM 價格便宜、容量更大，SSD 和 HDD 硬盤作為外部存儲設備容量更大、成本更低、離 CPU 更遠、訪問速度更慢。

DRAM 和 FLASH 是目前市場上最為主要的存儲芯片。FLASH 可分為 NOR 和NAND 兩種，兩者區(qū)別在于存儲單元連接方式不同，導致兩者讀取方式不同，NAND 由于引腳上復用，因此讀取速度比 NOR 慢一點，但是擦除和寫入速度比 NOR 快很多；NAND內(nèi)部電路更簡單，因此數(shù)據(jù)密度大，體積小，成本也低，市場上一些大容量的 FLASH 都采用 NAND 型，例如 SSD、U 盤、SD 卡、EMMC。

相比于 Flash 與 Nor，DRAM 具有較高讀寫速度、存儲時間短等優(yōu)勢，但單位成本更高，主要用于 PC 內(nèi)存(如 DDR)、手機內(nèi)存(如 LPDDR)和服務器等設備等。

存儲芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游參與者包括硅片、光刻膠、靶材、拋光材料、電子特種氣體等半導體材料供應商和***、PVD、CVD、刻蝕設備、清洗設備、封測設備等半導體設備供應商。

產(chǎn)業(yè)鏈中游為存儲芯片制造商，主要負責存儲芯片的設計、制造和封測，常見的存儲芯片包括 DRAM、NAND 閃存芯片和 NOR 閃存芯片等；

產(chǎn)業(yè)鏈下游為消費電子、汽車電子、信息通信、人工智能等應用領域內(nèi)的企業(yè)，各類電子化和智能化設備都離不開存儲芯片應用。

存儲芯片產(chǎn)業(yè)鏈主要由集成電路設計、晶圓制造、封裝和測試、模組廠商集成等環(huán)節(jié)組成，從經(jīng)營模式來看，主要分為 IDM 和垂直分工模式。

IDM 模式指企業(yè)業(yè)務覆蓋 IC 設計、制造、封裝和測試的所有環(huán)節(jié)，大部分國際存儲芯片大廠均為 IDM 模式，例如東芝半導體、三星半導體、飛索半導體、美光科技等大型跨國企業(yè)。

垂直分工模式，即 Fabless（無晶圓制造的設計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業(yè)），F(xiàn)abless 模式是指無晶圓生產(chǎn)線集成電路設計模式，即企業(yè)只進行集成電路的設計和銷售，將制造、封裝和測試等生產(chǎn)環(huán)節(jié)外包，例如高通、聯(lián)發(fā)科、AMD、華大半導體等；Foundry 即晶圓代工廠，它是一種只負責芯片制造，不負責芯片設計環(huán)節(jié)的一種產(chǎn)業(yè)運作模式

在臺積電成立以前，半導體行業(yè)只有 IDM 一種模式，經(jīng)過半個多世紀發(fā)展，全球半導體產(chǎn)業(yè)鏈逐步朝向分工和整合趨勢發(fā)展。

DDR、LPDDR、GDDR 是基于 DRAM 的三種內(nèi)存規(guī)范或標準。固態(tài)技術協(xié)會（JEDEC） 定義了三種 DRAM 標準類別，幫助設計人員滿足目標應用的功耗、性能和規(guī)格要求。

標準 DDR：面向服務器、云計算、網(wǎng)絡、筆記本電腦、臺式機和消費類應用，支持更寬的通道寬度、更高的密度和不同的形狀尺寸，其發(fā)展路線通過提升核心頻率來提高性能。

移動 DDR（LPDDR)：面向移動式電子產(chǎn)品和汽車這些對規(guī)格和功耗非常敏感的領域，提供更窄的通道寬度和多種低功耗運行狀態(tài)，四代之前是基于同代 DDR 發(fā)展，四代之后是基于應用端獨自發(fā)展，通過提高Prefetch 預讀取位數(shù)來提升性能。

圖形 DDR (GDDR)：面向需要極高吞吐量的數(shù)據(jù)密集型應用程序，例如圖形相關應用程序、數(shù)據(jù)中心加速和 AI，是應用于高端顯卡的高性能 DDR 存儲器，側重于數(shù)據(jù)位寬、遠超同期 DDR 的運行頻率。

LPDDR，即低功率雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器，是 DDR SDRAM 的一種，又被稱為 mDDR（Mobile?DDR SDRAM），擁有比同代 DDR 內(nèi)存更低的功耗和更小的體積。

GDDR，是用于顯示的 RAM 技術，其特點是高帶寬、高延時，目前最新的標準是 GDDR6，2022 年 7 月，三星推出了首款具有 24Gbps 處理速度的GDDR6 顯存。

按存儲單元密度來分，NAND Flash 可分為 SLC、MLC、TLC、QLC 四種。

SLC 為單級單元，每單元可存儲 1 比特數(shù)據(jù)，產(chǎn)品性能好、耐久度高，提供高達 10 萬個P/E 周期，但容量低、成本高，常應用于對讀寫耐久度要求很高的行業(yè)，如服務器、軍工等。

MLC 屬于多級單元，每單元可存儲 2 比特數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)密度比 SLC 要高，可以有更大的存儲容量，擁有 1 萬個 P/E 周期，耐久性比 SLC 低，MLC 在服務器、工規(guī)級應用較多。

TLC 為三級單元，每單元可存儲 3 比特數(shù)據(jù)，性能和耐久性下降，P/E 周期降至最高 3000個，但是容量可以做得更大，成本也可以更低，廣泛用于消費類產(chǎn)品，是性價比最高的存儲方案，性能、價格、容量等多個方面達到了較好的平衡。

QLC 為四級單元，每單元可存儲 4 比特數(shù)據(jù)，性能、耐久度進一步變差，P/E 周期只有 1000 個，但價格便宜，單元空間內(nèi)的存儲容量更高，消費級的大容量 SSD 就采用 QLC NAND 閃存顆粒。

NAND 經(jīng)歷了 2D NAND 時期，現(xiàn)在邁入3D NAND 時期。2D NAND 將存儲數(shù)據(jù)的單元水平并排地放置，放置單元的空間量有限，縮小單元則會降低可靠性；3D NAND在縱向上增加疊放單元，加大單位面積內(nèi)的晶體管數(shù)量，從而獲得更高存儲密度，實現(xiàn)更高的存儲容量，此外，耐久度更高、功耗更小，同時不會導致價格大幅上升。

市場上的 3D NAND 主要分為傳統(tǒng)并列式架構和 CuA（CMOS under Array）架構，2018 年，長江存儲公布了其突破性 3D NAND 架構 Xtacking，將晶圓鍵合這一關鍵技術在3D NAND 閃存上得以實現(xiàn)，隨著層數(shù)的不斷增高，基于Xtacking 所研發(fā)制造的 3D NAND閃存將更具成本和創(chuàng)新優(yōu)勢。

編輯：黃飛