【存储器】这场DRAM技术困局谁来破？

编辑时间： 08-26 关键字：

据全球半导体观察不完全统计，由DRAM与NAND Flash所主导的传统存储市场规模已超过1600亿美元，其中最大的内存细分市场DRAM，正逼近当前技术材料和工艺使用的基本物理极限。

从1998年三星生产出最早的商用DDR SDRAM芯片，再到DDR1、DDR2、DDR3、DDR4的延续，然后是即将登台唱戏的DDR5和正在研发的DDR6，20多年时间里，DRAM技术一直在突破向前。

当下新的技术解决方案如EUV光刻、HBM、3D DRAM、无电容DRAM等逐渐浮出水面，DRAM进入到下一个发展阶段，其未来技术路线如何呢？

壹
何为DRAM和DDR？

在探讨DRAM技术未来如何演变前，我们先对DRAM和DDR的概念进行理清。

在半导体存储器中，按照电源关断后数据能否被保存可分为ROM（Read Only Memory只读存储器，关闭电源仍可保留数据）和RAM（Random Access Memory随机存储器，关闭电源即丢失数据）。位于RAM之下，又可分为SRAM（静态随机存储器）、DRAM（动态随机存储器）以及新型RAM（基于新材料研制而成，尚未实现商业化）三大类。

△全球半导体观察根据公开信息整理

基于DRAM这一支后，又连续衍生了SDRAM（Synchronous DRAM，同步动态随机存储器）和DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM，双倍速率SDRAM，简称DDR），从历史沿革上，DDR可以说是SDRAM的升级版本。

按照不同的应用场景划分，固态技术协会（JEDEC）把DRAM分成标准DDR、LPDDR、GDDR三类，其中DDR主要应用于服务器和PC端，LPDDR主要应用于手机端和消费电子，GDDR的主要应用领域为图像处理领域。目前从它们发展情况，三者虽然存在一定的竞争，但是更多是互为借鉴成长。

今天我们讨论的焦点则侧重于DDR端。

DDR内存建立的初衷是为了加快内存的传输速度，从而弥补内存带宽上的不足，其关键的技术就是双倍数据速率以及预存取。业界数据显示，在一个时钟周期中，DDR可以完成SDR两个周期才能完成的任务，所以在理论上同速率的DDR内存与SDR内存相比，性能要超出一倍，这也是为何SDRAM在所处的那个时代，即便内存带宽已相当出色，却仍旧被DDR后来居上的原因。

从市场的角度看，DRAM则分为主流DRAM和利基型DRAM（其指从主流规格退役的DRAM产品，目前主要是DDR3及DDR2，或中低密度容量的产品，多属于客制化存储晶圆）。

在主流DRAM市场格局上，以三星、美光、SK海力士三分天下，目前具备DDR5/LPDDR5量产能力的也仅为上述三家。此外，中国台湾存储企业华邦及南亚科技，以及大陆存储企业长鑫存储的定位也在主流DRAM市场。

而利基型DRAM市场的玩家则相对分散，除了三星、美光、海力士之外（三星已在2021年Q4确定停产DDR2，同时三星及海力士计划逐步退出DDR3市场），还包含南亚科、华邦等公司。

贰
主流DRAM技术演进，DDR1-DDR6

目前已推出的DDR1-DDR5是由固态技术协会（JEDEC）制定的产品标准。从DDR1到DDR5演变看，DDR的能耗越来越低，传输速度越来越快、存储容量也越来越大；而从制程工艺的进展来看，早前产品的更新时间大致在3到5年更新一代，在步入20nm以内的制程后，DDR在制程上的突破进展呈现放缓趋势。

△全球半导体观察根据公开信息整理

不同于半导体其他工艺直接使用确切数字表达制程的方法，存储行业近年通常使用1X、1Y、1Z、1α、1β、1γ之类的术语表达制程。对此，美光表示，这种改变很大程度上是因为确切的数字与性能没有很好的相关性。电路结构是三维的，使用线性的衡量方式并不适合。

业界认为，10nm~20nm系列制程至少包括六代，1X大约等同于19nm，1Y约等同于18nm，1Z大约为16-17nm，1α、1β、1γ则对应12—14nm（15nm以下）。

据悉，三星电子、SK海力士和美光已在2016~2017年期间进入1Xnm阶段，2018~2019年进入1Ynm阶段，2020年后进入1Znm阶段。目前，各大厂家继续向10nm逼近，目前最新的1αnm仍处于10+nm阶段。

△全球半导体观察根据公开信息整理

从过往历史看，每代DDR新标准发布后都需要经过2年左右的优化，才能实现性能的较为全面的稳定提升，而后实现对上一代产品的市场替代则可能需要3到5年的时间。业界数据显示，DDR3和DDR4都享有大约7年的生命周期。DDR4存储器标准于2012年发布，而其初代产品则于2014年入市，直到2016年才实现了市场份额的大幅提升。

对于最新一代的DDR5而言，其最新款产品产能还处于爬坡期，售价还较高，性能也未发展到最优。业界预测今年将是DDR5的预热年，而从明年开始，DDR5渗透率将大幅提升。并且由于DDR技术愈发成熟，DDR5的保质期或比DDR4长。

从推出DDR5标准至今已有两年时间，JEDEC最近也对DDR5标准 (JESD79-5A)进行了更新，包括密集型云和企业数据中心应用驱动的需求要求，为开发人员提供了两倍的性能和大大提高的能效。为了更高的密度和更高的性能，DDR5有望采用最先进的DRAM单元技术节点，例如D1z或D1a (D1α)代，这是10纳米级DRAM节点的第3代或第4代。DDR5内存包含多项创新和新的DIMM架构，可实现速度等级跳跃并支持未来扩展。

随着DDR5内存逐渐进入市场，三星又已在马不停蹄的开发下一代DDR6内存，并预计在2024年之前完成设计。在今年7月召开的研讨会上，三星证实将采用MSAP技术研发加强下一代DDR6内存的电路连接，并将适应DDR6内存中增加的层数。就规格而言，DDR6内存的速度将是现有DDR5内存的两倍，传输速度可达12800 Mbps（JEDEC），超频后的速度可超过17000 Mbps。