2023存储器行业专题研究：双墙阻碍算力升级探讨四大新型存储应用.docx

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1、目录1传统存储难破双墙阻碍，智联时代助推新型存储31.1 模糊外存和主存界限，PCRAM产业化面临障碍51.2 MRAM产品进入量产，eMRAM替代SRAM空间大71.3 ReRAMWReF1aSh成长空间广阔81.4 FeRAM研发正当时，多种优势突破传统存储限制101.5 四种新型存储优势各异，市场化程度也有不同122风险提示13表格目录141传统存储难破双墙阻碍，智联时代助推新型存储存储技术伴随应用场景变化，新兴领域催生更高需求。存储行业兴起于1960s,现被广泛应用于各种领域的电子设备。据WSTS数据，2023年存储器市场规模1297.7亿美元，占全球半导体行业规模的22.6%,是半导

2、体产业的重要分支。WSTS预计2023年存储市场规模因终端市场需求疲软将下滑至840.4亿美元，但2024年受益于经济复苏和供需矛盾缓和，市场规模将同比上升43%,恢复至1203.3亿美元。图1：存储器市场规模及在半导体行业占比存储器市场规模（十亿美元）存储器在半导体行业占比180.00160.00140.00120.00100.0080.0060.0040.0020.00UIIU1II1111I140%20%10%0%Zmb1n9N86OIZrnq1n9N86OIZOOOOOoOOIIIIIIIIIIZ(NZOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO(NZrMrNZ(NZ(NZZZ(NrZZ

3、ZZNZNZ资料来源：WSTS,民生证券研究院存储器技术演变路径跟随应用场景变化逐步发展： 上世纪70年代,Inte1推出第一款DRAM商用芯片,由于其具有读写速度快、存储密度大、成本低等优势成为存储芯片市场上的主要产品； 1980s,东芝提出了“闪存”概念，指可在断电情况下保留数据的非易失性存储器件。此后，读取速度快、容量小、成本高的NORF1ash技术与容量较大，改写速度快的NANDF1ash结构相继于1988年、1989年被intek东芝开发出来。至此，闪存技术开始逐渐普及，成为现代电子产品中不可或缺的重要组成部分； 1990s-2000s,随着进入小容量存储的功能手机时代,NORF1a

4、sh由于具有可在闪存内直接运行应用程序的特点，有读写速度快、可靠性高、使用寿命长、传输效率高等优点，导致其应用在小容量存储中具有很高的成本效益，市场规模陡增； 2000s以后，伴随智能终端的兴起，容量成为存储的主要需求之一。此时，具有高存储密度、单位容量成本低等特点的NANDF1ash逐步成为市场的最佳选择。现在，随着AIoT.5G、智能汽车等新兴应用场景出现，存储行业的市场需求进一步增加，对数据存储在容量、速度、功耗、成本、可靠性等层面提出更高要求。性能墙与存储墙”成为限制传统存储器应用于新兴领域的两座难关。性能墙”源于处理器与存储器发展失衡。随着半导体产业的发展，处理器和存储器分别走向了不

5、同工艺路线。由于二者工艺、封装、需求的不同，从1980年到2000年，处理器性能的年增长速度约为60%,而存储器性能每年提高的幅度低于10%,导致存-算的失配速度以每年50%的速率增加。因此，处理器和存储器之间出现数据交换通路狭窄现象，及由此引发的高能耗问题，二者成为存储与运算间的“性能墙。图3:处理器和存储器的性能差距资料来源：JUniPerNetworks,民生证券研究院“存储墙”来源于计算架构中多级存储的特性差异。现代计算系统通常采取高速缓存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存储(NANDFIaSh)的三级存储结构。由于各级存储的应用特性不同，三级架构间均存在较大的响应时间及传输带宽差

6、距，形成了制约系统性能的“存储墙。其中，靠近运算控制单元的存储器需要响应速度更快，但受到功耗、散热等因素制约，其存储容量也越小，例如SRAM响应时间在纳秒级，NANDF1ash则仅为IOO微秒级，但后者的存储容量较大，造价低廉，且具备非易失的低功耗特性，适用于长期存储海量信息。随着新兴应用下处理器的速度和核数持续增加，存储墙成为制约处理器性能发挥的主要因素之一。图4:常见的存储系统架构及存储墙小快存储响应r容量时间J1k._.-一Kb1ns运算控制单兀MbIOns高速缓存一易失性存储、内存/主存-J存储墙外部存储非易失存储大慢资料来源：中国电子报，民生证券研究院受益于万物智联时代的新兴应用发展

7、，由于传统存储器存在“性能墙和存储墙问题，新型存储器的研发和产业化逐渐进入历史舞台。基于材料介质改造或技术升级，出现PCRAMxMRAMxReRAM和FeRAM四大类型的新型存储，我们将于下文中逐一探讨。1.1 模糊外存和主存界限，PCRAM产业化面临障碍以相变材料为存储介质的新型存储一PCRAMoPCRAM(相变存储器)的原理是通过改变温度，让相变材料在结晶态(导电)与非结晶态(非导电)状态间相互转换，并利用两个状态的导电性差异来区分0态和1态，从而实现数据存储。PCRAM具有外存NANDF1ash的非易失性，以及主存DRAM高读写速度和长寿命的特点，同时兼具低延时、密度高、功耗低、可兼容C

8、MOS工艺等优点，具有幼卜存和主存合二为一的可能性，未来有希望应用于高性能数据中心、服务器、物联网等场景。此外，目前PCRAM还未发现有明确的物理极限，研究表明即使相变材料降至2nm厚度，存储器件依旧可以发生相变。因此，PCRAM可能解决存储器工艺的物理极限问题，成为未来通用的新一代半导体存储器件之一。相变材料可编程区图5:PCRAM结构图（左图）和工作时电阻-电压曲线（右图）资料来源：基于新型忆阻器的存内计算作者：林钮登，高滨，王小虎，钱鹤，吴华强等，民生证券研究院PCRAM在1968年被提出，现代半导体工艺技术助力发展。在1968年，StanfordOvshinsky首次提出了基于相变理论

9、的存储器，阐述了非晶体和晶体状态下，材料会呈现不同的光学和电阻特性,可用于代表0和1”来存储数据。但由于过去半导体工艺的限制，造成相变单元所需驱动电流过大，导致早期的相变存储器没有赢得太多青睐。而后，得益于半导体加工工艺的进步，使具有较小的驱动电流器件成为可能，迎来了PCRAM的发展契机。PCRAM作为新型存储产业化的先行者,国内外厂商争相布局。2006年,Inte1和Samsung生产第一款商用PCRAM芯片。2015年,Inte1和Micron合作开发名为3DXPoint的PCRAM存储技术。2019年8月，时代全芯发布国内首款PCRAM产品一2兆位可编程只读相变存储器，成为继Micron

10、.Samsung后少数掌握相变存储器研发、生产工艺和自主知识产权的公司。图6:PCRAM的技术布局rPCRAMXPointNonawwq(90nm,NP8P)MCrOn(1GbPCM+1PDDR2)(inte1)(128Gb,OptaneSSD)(jtei)(OptaneDCPMOOX)(inte1)(OptaneOCPM)(itep(OptaneBariowPassPMEM200)MCrOn(XPointX100SSD)(inte1)(Gen2A1derStreamOptanePMM200)印Hf.(28nmFD-SOI.ePCM)(65MuSTI229)2006-2013201420152

11、01620172018201920232023J资料来源：SISPAD2023P1enaryTa1k,民生证券研究院然而，2018年Inte1和Micron结束了3DXPoint的联合开发工作，此后Micron于2023年宣布停止基于3DXPoint技术产品的进一步开发。至此，PCRAM的产业化陷入困境。PCRAM现阶段具有较多应用瓶颈，致使商业化停滞。首先，由于PCRAM存储过程依赖温度调节，具有对温度的高敏感度，导致其无法应用于宽温场景。其次，PCRAM存储器采取多层结构，以具备兼容CMOS工艺的特点，致使存储密度过低，无法满足替代NANDF1ash的容量条件。此外，成本和良率也成为其大规

12、模产业化的瓶颈之一。1.2 MRAM产品进入量产，eMRAM替代SRAM空间大图7:磁隧道结工作原理高电阻状态0磁存储器（MRAM）的基本单位为磁隧道结（MTJJ,MTJ由一对被薄绝缘材料层隔开的铁磁金属板组成，其中一块金属板（固定层）的磁场方向永不变化，另一块板（自由层）的磁场方向可以因外部磁场的改变而改变。MTJ通过电阻大小表示数据，由于隧道磁阻效应，如果两个板具有相同的磁化方向（低电阻状态），则将其视为1,而如果方向反平行（高电阻状态），则表示但传统MRAM单纯用奥斯特场对普通的MTJ进行状态切换，存在严重的不稳定性和严苛的应用条件。自由层绝缘层固定层低电阻状态1资料来源：Everspi

13、nr民生证券研究院MRAM于1984年发明，后经不断改进。1984年,供职于霍尼韦尔的ArthurPohm与JamesDaughton发明了首个磁存储器。由于对环境条件敏感等问题，对MRAM的改进从未停止。1996年10月，Berger和S1onczewski不约而同地提出了STT-MRAM方案。2000年Spintec实验室获得首个STT-MRAM专利OSTT-MRAM（自旋扭矩转递）为当前主流商业化方案。自2000年SPinteC实验室获得首个STT技术专利开始，STT-MRAM凭借更快的读写速度与更小的尺度逐渐成为主流商业化方案。2005年11月，瑞萨科技与Grandis合作开发65nm

14、工艺的SU-MRAMo2005年12月，索尼推出首款实验室SU-MRAM产品。2008年11月，三星与海力士宣布合作开发SK-MRAMe2012年11月Everspin首次推出64Mb容量的独立式STT-MRAM产品。2019年3月，三星28nm工艺的嵌入式STT-MRAM产品开始量产。Everspin为独立式MRAM龙头，IBM、三星、瑞萨走在嵌入式MRAM技术前沿。独立式MRAM产品主要替代闪存等作为外部存储，与闪存相比MRAM具有读写速度更快等优势。独立式MRAM市场由于容量和价格等原因，目前规模较小，属于利基型市场。Everspin公司2008年剥离自飞思卡尔公司，专注于MRAM产品开

15、发，目前为独立式MRAM产品主要供货商。2019年1月，EVerSPin公司推出基于28nm工艺容量为IGb的STT-MRAM产品，为目前最成熟、容量最大的独立式MRAM量产产品。嵌入式MRAM（eMRAM）主要替代SRAM应用于嵌入式系统中，可避免因电源故障等导致的内存丢失问题。嵌入式MRAM目前受到各大厂商关注，2023年12月IBM展出世界首个14nmSTT-MRAM产品。2023年6月，瑞萨宣布已开发出22nm嵌入式STT-MRAM电路技术。2023年10月，三星研究人员称成功开发14nmeMRAMoMRAM增长点为替代闪存与嵌入式缓存。由于价格较高，容量短时间无法赶超NANDF1ASH等原因，独立式MRAM目前主要应用于工业、航空、航