存储芯片技术基础知识介绍(2024)

发布时间:2024-04-28

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本文来自“深度报告:存储市场柳暗花明,国产替代未艾方兴”。存储芯片属于半导体中集成电路的范畴,是目前应用面最广、标准化程度最高的集成电路基础性产品之一。半导体按照产品分类可分为光电器件、传感器件、分立器件和集成电路四大类,占半导体价值量比例最高的为集成电路,约占整个半导体行业市场规模的 82.64%,其主要包括模拟芯片、微处理器芯片、逻辑芯片和存储芯片等四种。

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存储设备是计算机系统中用于存储和读取数据的硬件组件,按存储介质不同可分为光学存储、磁性存储和半导体存储。

光存储器是指用光学方法从光存储媒体上读取和存储数据的一种设备,一般指光盘机、光带机和光卡机等。

磁性存储,是指利用磁能方式存储信息的磁介质设备,其存储与读取过程需要磁性盘片的机械运动,目前广泛应用于 PC硬盘、移动硬盘等领域;

存储芯片,又称为半导体存储器,是指利用电能方式存储信息的半导体介质设备,其存储与读取过程体现为电子的存储或释放,广泛应用于内存、盘、消费电子、智能终端、固态存储硬盘等领域。

按照断电后是否保留存储的信息,存储芯片主要可分为易失性存储芯片(RAM)和非易失性存储芯片(ROM)。

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RAM 为随机存储器,断电后不会保存数据,主要产品包括 SRAM 和 DRAMDRAM 即动态随机存储器,使用电容存储,DRAM 的一个比特使用一个电容和一个晶体管存储,由于电容会漏电,因此需要定时刷新一次存储单元来保持数据;SRAM 即静态随机存储器,其内部结构比 DRAM 复杂,可以在不刷新电路下保存数据。

ROM 是一种存储固定信息的存储器,在正常工作状态下只能读取数据,不能即时修改或重新写入数据,在外部电源切断后仍能保存数据,读取速度较慢但存储容量更大,主要包括 EEPROM(带电可擦可编程只读存储器)、Flash (闪存芯片)PROM(可编程只读存储器)EPROM(可擦除可编程只读存储器)等。

根据具体的功能,可以将计算机中的存储器细分为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可移动存储介质等 层。从 CPU Cache、内存到 SSD 和 HDD,构成了计算机的存储体系,各层只和相邻的层交换数据,随着层级由高到低,设备容量变大、离 CPU 距离变远、访问速度变慢、传输时间变长,并且每字节的造价成本也越来越便宜。

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CPU中的寄存器位于最顶部,记为L0,它使用 SRAM 芯片做成,集成在CPU 的内部,其容量有限、速度极快、和 CPU 同步;

缓存是一种小而快的存储器,一般作为 DRAM 的缓冲,采用 SRAM 技术实现,通常也会被集成在 CPU 内部;

主存一般由 DRAM 组成,和SRAM 不同,其存储密度更高,容量更大,价格更低,速度也更慢。综合来看,SRAM 价格贵、速度快,DRAM 价格便宜、容量更大,SSD 和 HDD 硬盘作为外部存储设备容量更大、成本更低、离 CPU 更远、访问速度更慢。

DRAM 和 FLASH 是目前市场上最为主要的存储芯片。FLASH 可分为 NOR NAND 两种,两者区别在于存储单元连接方式不同,导致两者读取方式不同,NAND 由于引脚上复用,因此读取速度比 NOR 慢一点,但是擦除和写入速度比 NOR 快很多;NAND内部电路更简单,因此数据密度大,体积小,成本也低,市场上一些大容量的 FLASH 都采用 NAND 型,例如 SSD盘、SD 卡、EMMC

相比于 Flash 与 NorDRAM 具有较高读写速度、存储时间短等优势,但单位成本更高,主要用于 PC 内存(如 DDR)、手机内存(如 LPDDR)和服务器等设备等。

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存储芯片行业产业链上游参与者包括硅片、光刻胶、靶材、抛光材料、电子特种气体等半导体材料供应商和光刻机、PVDCVD、刻蚀设备、清洗设备、封测设备等半导体设备供应商。

产业链中游为存储芯片制造商,主要负责存储芯片的设计、制造和封测,常见的存储芯片包括 DRAMNAND 闪存芯片和 NOR 闪存芯片等;

产业链下游为消费电子、汽车电子、信息通信、人工智能等应用领域内的企业,各类电子化和智能化设备都离不开存储芯片应用。

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存储芯片产业链主要由集成电路设计、晶圆制造、封装和测试、模组厂商集成等环节组成,从经营模式来看,主要分为 IDM 和垂直分工模式。

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IDM 模式指企业业务覆盖 IC 设计、制造、封装和测试的所有环节,大部分国际存储芯片大厂均为 IDM 模式,例如东芝半导体、三星半导体、飞索半导体、美光科技等大型跨国企业。

垂直分工模式,即 Fabless(无晶圆制造的设计公司)+Foundry(晶圆代工厂)+OSAT(封装测试企业),Fabless 模式是指无晶圆生产线集成电路设计模式,即企业只进行集成电路的设计和销售,将制造、封装和测试等生产环节外包,例如高通、联发科、AMD、华大半导体等;Foundry 即晶圆代工厂,它是一种只负责芯片制造,不负责芯片设计环节的一种产业运作模式

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在台积电成立以前,半导体行业只有 IDM 一种模式,经过半个多世纪发展,全球半导体产业链逐步朝向分工和整合趋势发展。

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DDRLPDDRGDDR 是基于 DRAM 的三种内存规范或标准。固态技术协会JEDEC) 定义了三种 DRAM 标准类别,帮助设计人员满足目标应用的功耗、性能和规格要求。

标准 DDR:面向服务器、云计算、网络、笔记本电脑、台式机和消费类应用,支持更宽的通道宽度、更高的密度和不同的形状尺寸,其发展路线通过提升核心频率来提高性能。

移动 DDRLPDDR)面向移动式电子产品和汽车这些对规格和功耗非常敏感的领域,提供更窄的通道宽度和多种低功耗运行状态,四代之前是基于同代 DDR 发展,四代之后是基于应用端独自发展,通过提高Prefetch 预读取位数来提升性能。

图形 DDR (GDDR)面向需要极高吞吐量的数据密集型应用程序,例如图形相关应用程序、数据中心加速和 AI,是应用于高端显卡的高性能 DDR 存储器,侧重于数据位宽、远超同期 DDR 的运行频率。

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LPDDR,即低功率双倍速率同步动态随机存储器,是 DDR SDRAM 的一种,又被称为 mDDRMobile DDR SDRAM),拥有比同代 DDR 内存更低的功耗和更小的体积。

GDDR,是用于显示的 RAM 技术,其特点是高带宽、高延时,目前最新的标准是 GDDR62022 年 月,三星推出了首款具有 24Gbps 处理速度的GDDR6 显存。

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按存储单元密度来分,NAND Flash 可分为 SLCMLCTLCQLC 四种。

SLC 为单级单元,每单元可存储 比特数据,产品性能好、耐久度高,提供高达 10 万个P/E 周期,但容量低、成本高,常应用于对读写耐久度要求很高的行业,如服务器、军工等。

MLC 属于多级单元,每单元可存储 比特数据,数据密度比 SLC 要高,可以有更大的存储容量,拥有 万个 P/E 周期,耐久性比 SLC 低,MLC 在服务器、工规级应用较多。

TLC 为三级单元,每单元可存储 比特数据,性能和耐久性下降,P/E 周期降至最高 3000个,但是容量可以做得更大,成本也可以更低,广泛用于消费类产品,是性价比最高的存储方案,性能、价格、容量等多个方面达到了较好的平衡。

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QLC 为四级单元,每单元可存储 比特数据,性能、耐久度进一步变差,P/E 周期只有 1000 个,但价格便宜,单元空间内的存储容量更高,消费级的大容量 SSD 就采用 QLC NAND 闪存颗粒。

NAND 经历了 2D NAND 时期,现在迈入3D NAND 时期。2D NAND 将存储数据的单元水平并排地放置,放置单元的空间量有限,缩小单元则会降低可靠性;3D NAND在纵向上增加叠放单元,加大单位面积内的晶体管数量,从而获得更高存储密度,实现更高的存储容量,此外,耐久度更高、功耗更小,同时不会导致价格大幅上升。

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市场上的 3D NAND 主要分为传统并列式架构和 CuACMOS under Array)架构,2018 年,长江存储公布了其突破性 3D NAND 架构 Xtacking,将晶圆键合这一关键技术在3D NAND 闪存上得以实现,随着层数的不断增高,基于Xtacking 所研发制造的 3D NAND闪存将更具成本和创新优势。

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