从电子产品诞生的那一刻,就需要用到储存芯片作为数据的载体进行数据保存。
因此,存储芯片自然成为了应用面最广,市场比例最高的集成电路基础性产品之一。
据了解,目前在集成电路市场上,独立存储芯片占集成电路总数量的约1/4。而在芯片面积上,仅嵌入式存储芯片就占了SoC芯片面积的约80%以上,占了逻辑芯片面积的约70%以上。
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存储芯片,是嵌入式系统芯片在存储行业的具体应用,通过在单一芯片中嵌入软件,实现多功能和高性能,以及对多种协议、多种硬件和不同应用的支持。
根据断电后所储存的数据是否会丢失,存储芯片分为易失性存储芯片(RAM)和非易失性存储芯片(NVM)。
其中,易失性存储芯片又称随机存取记忆体,即它在任何时候都可以读写。不过,当电源关闭后,易失性存储芯片不能保留数据,如果需要保存数据,就必须把它们写入到一个长期的存储器中,如硬盘。
目前,易失性存储芯片分为动态随机存储器(DRAM)和静态随机存储器(SRAM)。他们之间的不同在于生产工艺的不同。SRAM保存数据是靠晶体管锁存的,而DRAM保存数据靠电容充电来维持。SRAM读写速度快,生产成本高,多用于容量较小的高速缓冲存储器,而DRAM读写速度较慢,集成度高,生产成本低,多用于容量较大的主存储器。
与易失性存储芯片相对应的是非易失性存储芯片。这类储存芯片当电流关掉后,所存储的数据不会消失的存储器。在非易失性存储器中,依照存储器内的数据是否能在使用电脑时随时改写为标准,有只读存储器(ROM)和闪存(Flash memory)二大类产品。
其中,只读存储器可分为MASK ROM、OTPROM、EPROM以及EEPROM。具体为:
MASK ROM是掩膜ROM,由于这种ROM是一旦厂家生产出来,使用者无法再更改里面的数据,因此目前已经比较少使用。
OTPROM是一次可变成存储器的意思,出厂后用户只能写一次数据,然后再也不能修改,一般用做存储密钥。
EPROM这种存储器可以进行多次擦除然后多次写入,但是要需要在特定紫外线下擦除。
EEPROM通过电场即可擦除数据,并写入数据。
易失性存储芯片另一大类产品是闪存。
闪存是最主要的非易失性存储芯片,有NOR Flash和NAND Flash两种。
Nor Flash根据容量划分,有高容量(1Gb及以上)、中(128Mb-1Gb)容量和低容量(128Mb以下)闪存。高容量制程达到46nm,主要用于汽车和工控领域,中低容量集制程集中55/65nm,可用于汽车、工控、消费、通讯等领域。,2018年全球Nor Flash市场中约41%来自于消费电子,22%用于汽车与工控领域。
NAND Flash根据储存原理有SLC 、MLC、TLC等,结构有2D、3D NAND两大类技术。在SLC 闪存中,每个存储单元仅存储1bit信息:逻辑0或逻辑1,而MLC闪存每个单元存储两位信息,有2的2次方个电平状态,TLC和QLC则分布存储3、4位bit信息。
然而,由于NAND Flash每Cell单元存储数据越多,单位面积容量就越高,因此同时会导致不同电压状态越多,越难控制,最终造成颗粒稳定性越差,寿命低。
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由于存储芯片具有高度标准化的特性,并且品种单一,因此较难实现产品的差异化。这导致各厂商需要集中在工艺技术和生产规模上比拼竞争力。
在工艺上,虽然存储芯片的制程路线与逻辑电路的路线不太一样,但是同样面临着摩尔定律趋近极限的瓶颈,甚至比逻辑电路来的更早一些。
目前,存储芯片制程发展到1x,1y,1z(20nm-10nm之间),阶段很难再进一步缩小,因为随着制程工艺的提高,在到达一定水平之后,存储芯片的稳定性会下降,而业界一般认为10nm是临界点。
就主要存储芯片产业而言,DRAM目前还在1x、1y水平,且有望在2020年进入1z阶段。NAND Flash制程已经达到极限,目前,厂商们另辟蹊径从2D转向3D发展,目的是通过增加芯片的堆叠层数来获得更大的存储容量,而堆叠层数增加意味着光刻次数也随之增加。
从个别厂商来看,全球DRAM市场领军企业,三星、美光、SK海力士已进入10nm制程领域,实现1Xnm级工艺,尤其美光已率先量产了1Znm级产品。而目前我国兆易创新正在研发1Xnm级工艺制程下的DRAM技术。
NAND Flash在国际上的通用主流为64层的3D NAND Flash。
近年来,三星、东芝、西部数据、美光以及Intel均从64层跳过72层达到了96层,其中三星、东芝/西部数据预计制程技术在2020年将达到128层或以上。而SK海力士则从48层跳过了64层达到72层,预计2020年将达到96层。
对于我国来讲,在NAND Flash领域与全球巨头们的制程技术相比还有不小差距。但长江存储已经在2019年第三季度推出了64层的闪存芯片,并实现了量产,赶上国际通用主流。并且在后续,长江存储本已计划跳过72层、92/96层,直接开发128层的闪存产品,也在今年4月份宣告成功。
03
存储芯片种类众多,其中NOR Flash、DRAM和NAND Flash是当前存储芯片的三大核心产品。但从产值构成来看,随着存储技术和应用领域的演进,仅有NAND Flash和DRAM构成了当前的主要存储芯片产业。
据统计,2018年全球存储器芯片市场规模大约1500亿美元。具体来看,NOR、DRAM和NAND市场规模分别为26、830和610亿美元。其中DRAM和NAND Flash存储器垄断了全球超过80%的市场份额。
在这里,日韩和美国是NAND Flash和DRAM储存芯片领域的头号玩家,他们的储存器产品几乎垄断了全球的主流市场,小到电子产品,大到工控设备。
在NAND Flash领域,2016年之前,日本东芝一直在全球拥有NAND Flash 15%以上的市场份额。然而,当时东芝为了弥补旗下核电子公司西屋电器造成的数十亿美元亏损,在2017年出售旗下NAND Flash业务给西部数据以避免公司破产。因此使得如今全球NAND Flash市场竞争格局目前由三星、铠侠、西部数据、美光、Intel和SK海力士主导。2019年,六大厂商的全球市占率依次为35.1%、18.9%、14.8%、11.5%、9.8%、9.5%,合计垄断了全球99.6%的市场份额。
在DRAM领域,韩国厂商是全球DRAM芯片的核心供应商。2019年,三星和SK海力士的DRAM芯片市占率约为74%。此外,2019年美光DRAM芯片也有21%的市占率。
对于我国而言,目前我国半导体企业在主流存储器领域的布局比较薄弱,在主流存储器DRAM和NAND Flash市场的全球市场占有率几乎不超过1%。
不过,就技术攻关领域,目前主攻NAND的长江存储在2020年4月宣布其128层QLC 3D NAND Flash芯片已研发成功,并已在多家控制器厂商SSD等终端存储产品上通过验证,已追平行业主流技术,届时有望实现量产,步入快车道,与日韩厂商展开竞争。在DRAM储存芯片领域,主攻DRAM的有合肥长鑫和福建晋华。其中合肥长鑫在2019年9月宣布了19nm DRAM芯片量产,与国际主流DRAM产品实现同步。
总的来说,未来几年,我国主流存储器的国产化布局将能够做到完全实现。
此外,近年来被日韩厂商逐步抛弃掉的NOR Flash市场,我国厂商抓住机遇不断抢占市场份额,竞争优势逐步明显。
现在NOR Flash产能主要由中国台湾、美国和中国大陆垄断。2017-2019年,旺宏、华邦电两家企业一直占据前二位置,不断争夺第一的宝座,而兆易创新的市占率在稳步提升。就在2019第三季度,兆易创新营收环比增长36.2%达1.04亿美元,一举超越Cypress首次成为全球前三大NOR Flash供应商。此外,继Cypress之后的是美光。
目前这五大供应商合计占据了全球NOR Flash 90%以上的产能。
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