雖然存儲行情繼續(xù)下跌，但萬億空間仍在，新老技術競爭愈發(fā)激烈

近日，國家知識產(chǎn)權局官網(wǎng)顯示，比亞迪半導體股份有限公司“芯片及其數(shù)據(jù)存儲方法”專利公布，申請公布號為CN116185704A。

資料顯示，上述專利申請?zhí)岢鲆环N芯片及其數(shù)據(jù)存儲方法，數(shù)據(jù)存儲方法包括：接收并執(zhí)行當前操作指令，并將當前操作指令所涉及的第一數(shù)據(jù)進行備份；收集預設時間段內(nèi)的歷史操作指令所涉及的第二數(shù)據(jù)，并將第二數(shù)據(jù)進行備份；對第一數(shù)據(jù)進行校驗，根據(jù)校驗結果判斷是否輸出備份的第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)。

據(jù)悉，該技術方案可以將導致芯片存儲體數(shù)據(jù)異常變動的所有可能數(shù)據(jù)進行備份存儲，使存儲體數(shù)據(jù)異常變動時，能夠輸出第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)用于異常分析，此外，導致存儲體數(shù)據(jù)異常變動的觸發(fā)事件可被追溯。

存儲芯片長期空間將至萬億

存儲芯片的市場占據(jù)半導體產(chǎn)業(yè)近30%；2023年全球存儲芯片市場規(guī)模將達1658億美元，而這其中，中國存儲芯片市場規(guī)模將逼近6500億元。


1、chatgpt帶來的增量

AI服務器所需DRAM和NAND分別是常規(guī)服務器的8倍和3倍，AI技術革命驅動全球算力競賽，存儲芯片有望加速企穩(wěn)。

據(jù)機構的測算，以英偉達A100為標準，單個GPU堆疊8顆DRAM芯片，短期拉動DRAM需求增量為11.73萬顆，遠期增量為684.71萬顆。


2、周期底部拐點已現(xiàn)

根據(jù) DIGITIMES 報道，長江存儲將調(diào)漲 NAND 產(chǎn)品價格后，三 星、SK 海力士也將跟進 3~5%漲幅。SEMI 數(shù)據(jù)顯示，全球半導體制造業(yè)的收縮預計將在 2023 年第二季度放緩，并有望從第三季度開始逐步復蘇。第二季度包括 IC 銷售和硅片出貨量在內(nèi)的行業(yè)指標表明環(huán)比有所改善。


CXL技術成存儲行業(yè)“新寵”

以ChatGPT為代表的AI大模型對高性能存儲芯片的需求與日俱增，在高容量、高運算能力的需求下，CXL、HBM等新的存儲技術備受市場關注。

華西證券日前研報指出，CXL帶來的DRAM池化技術可以大大節(jié)約數(shù)據(jù)中心的建設成本，同時也將大大帶動DRAM的用量。SK海力士副會長樸正浩也曾在演講中透露，隨著ChatGPT等應用開啟AI新時代，加上相關技術演進，預計全球數(shù)據(jù)生成、儲存、處理量將呈等比級數(shù)增長。在技術演進的路上，為克服主機CPU存儲器容量受限問題，CXL技術相當重要。

CXL全稱Compute Express Link，意為計算快速鏈接，是一種全新的互聯(lián)技術標準。隨著存儲成本不斷增加，傳統(tǒng)的PCI-e技術逐漸乏力。在此背景下，基于PCI-e協(xié)議的CXL技術應運而生。

據(jù)了解，CXL能夠讓CPU與GPU、FPGA或其他加速器之間實現(xiàn)高速高效的互聯(lián)，從而滿足高性能異構計算的要求，并且其維護CPU內(nèi)存空間和連接設備內(nèi)存之間的一致性，從而解決了各設備間的存儲割裂的問題，能夠大大降低內(nèi)存的分割導致的浪費和性能下降。

當下主流的計算系統(tǒng)通常采用高速緩存（SRAM）、主存（DRAM）、外部存儲（NAND Flash）的三級存儲結構。系統(tǒng)運作時，需要不斷地在內(nèi)存中來回傳輸信息。數(shù)據(jù)在三級存儲間傳輸時，后級的響應時間及傳輸帶寬都將拖累整體的性能，并且由于數(shù)據(jù)量龐大，系統(tǒng)需要借助外部存儲并用網(wǎng)絡IO來訪問數(shù)據(jù)，致使訪問速度下降幾個數(shù)量級。而CXL技術的高兼容性、內(nèi)存一致性等優(yōu)勢能夠有效解決上述問題。

除了能夠解決單機設備連接問題以外，從CXL2.0（迭代版本）開始，其帶來的內(nèi)存池化（Pooling）技術超出了單機的范疇，還能夠提高內(nèi)存的使用率，并降低內(nèi)存的使用成本。

對此，華西證券認為，引入DRAM池化，按需分配可以大大提高內(nèi)存使用效率，并節(jié)約數(shù)據(jù)中心的建設成本。CXL目前已經(jīng)完全支持池化技術，如果該理念得到廣泛應用，內(nèi)存將成為提高服務器性能另外的重要手段之一。


新興存儲技術一覽

盡管 2D NAND 正在被 3D NAND 取代（不再受制于電子太少的缺點），但基于非電荷的新興存儲器的一些特性（例如低電壓操作或隨機存取）正在被各種各樣的應用關注從而獲得繼續(xù)發(fā)展的機會。這些新興的存儲器通常具有兩端結構（例如，電阻器或電容器），因此很難同時用作單元格選擇設備。存儲單元一般以1T-1C、1T-1R或1D-1R的形式結合單獨的存取器件。

1.FeRAM：鐵隨機存儲器

FeRAM 器件通過切換和感測鐵電電容器的極化狀態(tài)來實現(xiàn)非易失性。要讀取內(nèi)存狀態(tài)，必須跟蹤鐵電電容器的磁滯回線( hysteresis loop)，并且存儲的數(shù)據(jù)被破壞并且必須在讀取后寫回（破壞性讀取，如 DRAM）。由于這種“破壞性讀取”，找到既能提供足夠的極化變化又能在延長的工作周期內(nèi)保持必要穩(wěn)定性的鐵電材料和電極材料是一項挑戰(zhàn)。

許多鐵電材料對于 CMOS 制造材料的正常補充來說是陌生的，并且可以通過傳統(tǒng)的 CMOS 處理條件退化。FeRAM 速度快、功耗低、電壓低，因此適用于 RFID、智能卡、ID 卡和其他嵌入式應用。處理難度限制了它的廣泛采用。最近，提出了基于 HfO2 的鐵電 FET，其鐵電性用于改變 FET 的 Vt，從而可以形成類似于閃存的 1T 單元。如果開發(fā)成熟，這種新存儲器可以用作低功耗且速度非常快的類似閃存的存儲器。


2.MRAM：磁性內(nèi)存

MRAM (Magnetic RAM) 設備采用磁性隧道結 (MTJ：magnetic tunnel junction) 作為存儲元件。MTJ 單元由兩種鐵磁材料組成，由用作隧道勢壘的薄絕緣層隔開。當一層的磁矩切換為與另一層對齊（或與另一層的方向相反）時，電流流過 MTJ 的有效電阻會發(fā)生變化。可以讀取隧道電流的大小以指示存儲的是“一”還是“零”。場切換 MRAM 可能是最接近理想的“通用存儲器”的，因為它是非易失性的、快速的并且可以無限循環(huán)。因此，它可以用作 NVM 以及 SRAM 和 DRAM。

然而，在 IC 電路中產(chǎn)生磁場既困難又低效。盡管如此，F(xiàn)ield Switching MTJ MRAM已經(jīng)成功制成產(chǎn)品。然而，當存儲元件縮放時，切換所需的磁場會增加，而電遷移會限制可用于產(chǎn)生更高 H 場的電流密度。因此，預計現(xiàn)場開關 MTJ MRAM 不太可能擴展到 65nm 節(jié)點以上。

“STT(spin-transfer torque )”方法的最新進展提供了一種新的潛在解決方案，其中自旋極化電流將其角動量轉移到自由磁性層，從而在不借助外部磁場的情況下反轉其極性。在自旋轉移過程中，大量電流通過 MTJ 隧道層，這種應力可能會降低寫入耐久性。在進一步縮放時，存儲元件的穩(wěn)定性會受到熱噪聲的影響，因此預計在 32nm 及以下需要垂直磁化材料。最近已經(jīng)證明了垂直磁化。

隨著NAND Flash的快速發(fā)展，以及最近推出的有望繼續(xù)等效縮放的3D NAND，STT-MRAM取代NAND的希望似乎渺茫。然而，其類似 SRAM 的性能和比傳統(tǒng) 6T-SRAM 小得多的占用空間在該應用中引起了極大的興趣，特別是在不需要高循環(huán)耐久性的移動設備中，例如在計算中。因此，STT-MRAM 現(xiàn)在大多不被視為獨立內(nèi)存，而是嵌入式內(nèi)存 ，并且不在獨立 NVM 表中進行跟蹤。

STT-MRAM 不僅是嵌入式 SRAM 替代品的潛在解決方案，也是嵌入式閃存 (NOR) 替代品的潛在解決方案。這對于物聯(lián)網(wǎng)應用來說可能特別有趣，因為低功耗是最重要的。另一方面，對于使用更高存儲密度的其他嵌入式系統(tǒng)應用，預計 NOR 閃存將繼續(xù)占據(jù)主導地位，因為它仍然更具成本效益。此外，閃存能夠承受 PCB 板焊接過程（約 250°C）而不會丟失其預加載代碼，這是眾所周知的，許多新興存儲器尚未能夠證明這一點。


3.PCRAM

PCRAM 器件使用硫屬化物玻璃（最常用的化合物是 Ge2Sb2Te5，或 GST）的非晶態(tài)和晶態(tài)之間的電阻率差異來存儲邏輯電平。該器件由頂部電極、硫族化物相變層和底部電極組成。泄漏路徑被與相變元件串聯(lián)的存取晶體管（或二極管）切斷。

相變寫入操作包括：(1) RESET，其中硫族化物玻璃通過短電脈沖瞬間熔化，然后快速淬火成具有高電阻率的非晶固體，以及 (2) SET，其中振幅較低但更長脈沖（通常 >100ns）將非晶相退火為低電阻晶態(tài)。1T-1R（或 1D-1R）單元比 NOR Flash 更大或更小，取決于使用的是 MOSFET 還是 BJT（或二極管。該設備可以被編程為任何最終狀態(tài)而無需擦除先前狀態(tài)，從而提供更快的編程吞吐量。簡單的電阻器結構和低電壓操作也使 PCRAM 對于嵌入式 NVM 應用具有吸引力。

PCRAM 的主要挑戰(zhàn)是重置相變元件所需的高電流（fraction of mA），以及相對較長的設置時間和高溫耐受性以在回流焊期間（約 250°C）保留預加載代碼。熱干擾是 PCRAM 可擴展性的潛在挑戰(zhàn)。然而，熱干擾效應是非累積的（不像閃存，其中導致電荷注入的編程和讀取干擾是累積的）并且較高溫度的RESET脈沖很短（10ns。相變材料與電極的相互作用可能會帶來長期的可靠性問題并限制循環(huán)耐久性，是類 DRAM 應用的主要挑戰(zhàn)。與 DRAM 一樣，PCRAM 是真正的隨機存取、位可變存儲器。

已經(jīng)使用碳納米管作為電極證明， PCRAM 器件可以做到 < 5nm 的可擴展性，并且復位電流遵循較大器件的外推線。至少在一個案例中，證明了 1E11 的循環(huán)耐力。相變存儲器從2011年開始用于功能手機，取代NOR Flash，2012年開始在~45nm節(jié)點量產(chǎn)，但此后沒有新產(chǎn)品推出。在過去的幾年中，PCM 存儲器也被瞄準為嵌入式應用程序的 eFlash 替代品的潛在候選者 。在這些工作中，不同類別的相變材料的合金化允許獲得符合焊接回流的存儲器；然而，如此高的溫度穩(wěn)定性是以較慢的寫入速度為代價的。


4.ReRAM：電阻式存儲器

目前正在研究一大類兩端器件，其中存儲狀態(tài)由金屬-絕緣體-金屬 (MIM：metal-insulator-metal ) 結構的電阻率決定，用于存儲應用。其中許多電阻式存儲器仍處于研究階段。由于他們承諾縮小到 10nm 以下，并以極高的頻率 (< ns) 和低功耗運行，過去十年中許多工業(yè)實驗室的重點研發(fā)工作使這項技術被廣泛認為是 NAND 的潛在繼承者（包括 3D NAND ).

作為一種雙端器件，高密度 ReRAM 的發(fā)展一直受到缺乏良好選擇器器件的限制。然而，3D XP 內(nèi)存的最新進展似乎已經(jīng)解決了這個瓶頸，如果解決了不穩(wěn)定位等其他技術問題，ReRAM 可能會取得快速進展。除了 3D XP 陣列（類似于基于 PCRAM 的 3D XP 存儲器）之外，還可以使用 2D 陣列和小字線 (WL) 和小位線 (BL) 半間距制造高密度 ReRAM 產(chǎn)品。

此外，如果最終采用 OTS 類型的選擇器器件，那么使用底部的晶體管和 3D 陣列中每個 ReRAM 器件的 OTS 選擇器來制造 BiCS 型 3D ReRAM 似乎是可行的，如圖 MM-10 所示。盡管由于引入 3D XP 內(nèi)存似乎解決了雙極選擇器設備的瓶頸，但尚未推出高密度 ReRAM 產(chǎn)品，但可以合理預期 ReRAM 的進展。

然而最近，開發(fā)高密度 ReRAM 的熱情似乎消退了。這可能是由于兩個原因。(1) 3D NAND Flash的成功增加了進入門檻， (2) 難以滿足大型陣列的可靠性要求。

在過去的幾年中，上述這些問題似乎注定了高密度 ReRAM 的大規(guī)模應用。最初關于 ReRAM 由數(shù)千個原子組成，不受統(tǒng)計波動影響的論點現(xiàn)在看來值得懷疑。似乎操作 ReRAM 的燈絲僅由幾個原子（離子）組成。似乎有證據(jù)表明，即使是相對較大的 ReRAM 設備也會受到統(tǒng)計波動的影響。因此，我們不看好高密度應用的 ReRAM。

行情恢復有望？

庫存去化自下而上，看好 23 年上半年迎來庫存拐點。根據(jù)國金證券研究所整理的數(shù)據(jù)，22Q3 全球存儲原廠庫存月數(shù) 為 5.1 個月，高于去年同期的 3.0 個月，且連續(xù)五個季度上升，并明顯高于上一輪周期頂部（19Q1）的 3.7 個月。另 一方面，主要存儲器模組廠商庫存卻已逐漸出現(xiàn)拐點，22Q3 庫存月數(shù)為 3.3 個月，已經(jīng)連續(xù)三個季度環(huán)比改善或接近 持平。復盤存儲原廠和模組廠商的庫存月數(shù)，模組廠商更早感受到終端需求的變化，在上行周期愿意背負更多的庫存， 在下行周期提前砍單。隨著模組廠商的庫存月數(shù)在 2022 年底逐漸顯現(xiàn)拐點，我們看好原廠庫存月數(shù)在 2023 年上半年 迎來向下的拐點。

23 年供過于求的格局有望改善，NAND 或先于 DRAM 復蘇。NAND 廠商實質(zhì)減產(chǎn)時間較早，TrendForce 預計 2023 年 NAND 供給位元增幅將收斂至 21%，NAND 需求位元同增 27%，主要得益于服務器單機搭載容量同增 24%，手機閃存容量同增 22%，供需差比例從 22 年的 9%下降到 23 年的 4%。而由于 DRAM 廠商擴產(chǎn)計劃延后，2023 年 DRAM 供給位元增幅不足 10%，且受疫情期間電腦透支消費，手機內(nèi)存容量增速不如閃存等因素影響，DRAM 需求位元增幅來到歷史低位，23 年 僅同增 1%。綜合導致 DRAM 供需改善慢于 NAND，我們預計 2023 年下半年 NAND Flash 或先于 DRAM 好轉。