中國半導體存儲行業未來50年發展路線圖

　　存儲器產業芯片國產化之路邁出的重要一步：芯片國產化是中國政府在信息安全自主可控政策領域的實踐領域之一，作為信息技術的基礎產業，半導體集成電路持續叐到國家政策的扶持，近期仍國家層面到地方層面的政策及資本的持續也是持續不斷。

　　全球產業處于周期性底部有利于新生力量的崛起：盡管仍2016年第事季度起存儲器行業的產品價格出現了回升，但是行業整體仌然處二周期性底部的位置，市場主要廠商三星、海力士、美先等在資本開支產能擴張方面仌然較為謹慎，而我們訃為在智能秱勱終端需求、數據中心服務器需求以及固態影片需求帶勱的情冴，DRAM和NAND Flash市場均有逐步仍供過二求向供給丌足轉秱的趨勢，而在這種行業周期性底部有轉發趨勢的情冴下，中國大陸地匙的逆周期投資有望推勱國內廠商成為市場內崛起的新生力量。

　一、存儲器是系統的核心基礎部件

　　存儲器(Memory)，顧名思義是在電子計算機系統中用于存放信息的器件。任何電子計算機系統在運行的過程中，包括輸入的原始數據、程序本身、中間運行結果和最終運行結果都需要保存在存儲器中。存儲器是電子系統的基礎核心部件之一，是系統正常運作的保障。

　　(一)存儲器的發展伴隨著電子計算機的歷程

　　存儲器的發展幾乎是伴隨著電子計算機的發展歷程而來的。在發展之初，采用汞線延遲線來進行信息的存儲和讀寫，之后采用磁性材料，再到光學材料等存儲器設備，盡管獲得了較大的改善，但是仍然面臨體積龐大、性能有限的挑戰，對應用領域的拓展造成了不小的阻礙。

　　得益于集成電路技術的發展與成熟，采用半導體集成電路方式制造的存儲器IC芯片獲得了廣泛的采用。隨著在存儲介質的演進，設計架構的更新和工藝水平的提高，IC存儲器在存儲密度、讀寫速度等性能持續提高，同時能耗、單位存儲單元成本持續降低，IC存儲器的發展也充分享受摩爾定理集成電路演進歷程。

　　圖1：存儲器的収展歷秳

　　縱觀整個發展歷程我們看到，1967年科技巨頭IBM提出DRAM規格以及之后的持續演進使其成為了目前包括PC、服務器、手機、車載等終端產品內存行業的主要技術。1984年舛岡富士雄博士提出了Flash Memory技術以及之后演進中Intel提出的NOR和東芝提出的NAND架構形成了目前外設存儲器的主流。上述兩項技術的提出對于現代的半導體集成電路存儲器產業形成了深遠的影響。

　　(二)半導體存儲器芯片的核心分類：DRAM和Flash Memory

　　從上述的研究我們可以看到，存儲器經歷了與電子計算機幾乎一樣長的發展歷程，包括磁盤、光盤、IC工藝材料等不同產品已經形成了在不同應用領域中成熟有效的應用分工。存儲器的分類方式很多，按照存儲介質分類來說，通常可以分為半導體IC存儲器、磁性存儲器和光存儲器等，在本報告中，我們聚焦在半導體IC存儲器，關注存儲器芯片行業。

　　半導體存儲器按照斷電后數據信息是否能夠保留可以分為兩個大類，易失性存儲器和非易失性存儲器，前者在外部電源切斷后，存儲器內的數據也隨之消失，代表產品是DRAM，而后者則能夠保持所存儲的內容，代表產品是FlashMemory。

　　圖2：半導體存儲器的分類

　　DRAM作為易失性存儲器產品的代表，主要用于各類PC、服務器、工作站的內部存儲單元，憑借其在存取速度和存取容量方面的折衷性能，實現在核心處理器和外部存儲器之間形成緩存空間。隨著移動終端的迅速發展，DRAM在智能手機中的應用規模也在持續加大。

　　Flash Memory作為非易失性存儲器的代表，主要應用于存儲卡、U盤、SSD固態硬盤、移動終端的內部嵌入式存儲器等，其可快速讀寫不丟失以及可集成的特性，使得其在移動終端及便攜式移動存儲器產品中有著廣泛的應用場景。

　　(三)未來存儲器芯片的方向：相變存儲器(PCM)

　　傳統的半導體集成電路存儲器無論是DRAM還是Flash，其基本原理均是通過對于電荷的多寡形成的電勢高低來進行“0”和“1”的判斷，進而實現信息的存儲。產業對于存儲器結構和原理的研究始終沒有停歇，近期，各研究機構及資本市場熱點關注相變化存儲器(PhaseChange Memory，簡稱PCM)。該存儲器非易失真原理與Flash的浮動柵鎖住電荷原理不同，是通過施加特定電流使硫族化物玻璃(目前多數為GeSbTe合金)在晶態和非晶態兩相之間改變，由于晶態和非晶態的電阻特性不同，電路通過讀取不同電阻值來獲取存儲的數據。

　　如圖所示，施加強電流并快速淬火，使硫系化合物溫度升高到熔化溫度以上，經快速冷卻，可以使多晶的長程有序遭到破壞，實現晶體向非晶體的轉換，通常用時不到100ns;施加中等強度的電流，硫系化合物的溫度升高到結晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時間，實現晶體向非晶體的轉換。

　　圖3：晶體不非晶體相于轉換

　　圖4：GeSbTe加熱原理

　　PCM可以直接改變操作位的數據而不需要單獨進行擦除步驟，減少了寫操作的開銷，并且直接讀取電阻值判斷大小，有效提高讀取速度。由于Flash的浮動柵存儲結構尺寸難以縮減，這是因為浮動柵級的厚度是一定的，而PCM不需要存儲電子元件，因此它沒有電子元件存儲的擴展問題，盡管同樣采用了半導體平面化工藝來實現器件的生產加工，PCM的存儲密度可以做得更大。

　　表1：存儲器產品類型的特性比較

　　上表中可以看出與DRAM相比，盡管讀寫速度略低，但是PCM是一種非易失性的存儲器，而與NANDFlash相比，PCM則在讀寫速度和可靠性方面具有優勢，并且有很小的理論工藝制程可以做到更高的存儲密度。隨著PCM的技術進步帶來單位成本的下降，與DRAM和Flash產品可以形成優勢互補，甚至做到超越，目前PCM已經被部分廠商應用于實際的產品中，是一項具備未來發展潛力的技術。