进入1x nm时代，DRAM产业举步维艰

　　随着美光把台湾南亚科技纳入囊中，DRAM内存产业基本上只有三星、SK Hynix及美光三家在玩了。目前三大厂商的主力制程工艺已经进入20nm，其中三星的进度最快，他们2015年3月份量产了20nm工艺，但现在正在修改工艺，已经完成了1x nm工艺的的量产验证工作。

　　在DRAM内存市场上，三星不仅产能、份额最高，技术是最领先的，他们已经率先进入了1x nm工艺。

　　这听起来是一件非常疯狂的事情，因为在大多数工程师看来DRAM的工艺将会止步于20nm左右。然而三星似乎想将DRAM的工艺延伸的更远。SK Hynix和美光也有着类似的计划。

　　未来，这些厂商希望在1x nm节点之后能够继续推进两到三代的工艺，然后停留在1x nm上，即便如此这一过程也可能耗费十多年的时间。

　　但是，将工艺延伸到20nm以下并不是一件简单的事情。因为要实现1x nm的目标，三星等厂商就必须推出一些创新的技术。这其中就包括全新的空气隔离技术以及创新的分布方案。但是就目前的情况来看，这些厂商在某些步骤上还依然在使用193nm的光刻技术。

　　三星的首席工程师J.M. Park表示，“三星已经为18nm开发了全新的技术，这些低成本并具有可靠性的方案，将能够持续推进18nm 及以下工艺的进步。”从目前三星在DRAM市场的情况来看，这些在逐渐成为事实。

　　除了这些创新的技术，发展DRAM工艺还需要投入大量的资金。根据Pacific Crest Securities的数据显示，要实现先进技术的DRAM工艺每月10000wafer的产量，需要投入6亿美元的成本。而同等工艺的NAND只需要4.5亿美元。

　　DRAM是什么?

　　RAM(Random Access Memory随机存贮器)是指通过指令可以随机地、个别地对每个存储单元进行访问、访问所需时间基本固定、且与存储单元地址无关的可以读写的存储器。几乎所有的计算机系统和智能电子产品中，都是采用RAM作为主存。

　　在系统内部，RAM是仅次于CPU的最重要的器件之一。它们之间的关系，就如人的大脑中思维与记忆的关系一样，实际上是密不可分的。但在计算机内部，它们却是完全独立的器件，沿着各自的道路向前发展。

　　DRAM(Dynamic RAM)即动态RAM，是RAM家族中最大的成员，通常所讲的RAM即指DRAM. DRAM由晶体管和小电容存储单元组成。每个存储单元都有一小的蚀刻晶体管，这个晶体管通过小电容的电荷保持存储状态，即“开”和“关”。电容类似于小充电电池。它可以用电压充电以代表1，放电后代表0，但是被充电的电容会因放电而丢掉电荷，所以它们必须由一新电荷持续地“刷新”。

　　与CPU等芯片相比，DRAM内存在20nm节点之后也放缓了速度，线宽减少越来越困难，40nm工艺的DRAM内存芯片线宽减少约为5-10nm，20nm工艺的线宽减少就只有2-3nm了，更先进的工艺减少线宽就更困难了。

　　在20nm以下，DRAM工艺预计将经过两到三次的技术迭代.，可以称之为1x nm，1y nm，1z nm。“其中，1x nm位于16nm和19nm之间，1y nm则定义为14nm到16nm，1z nm则是12nm到14nm。”应用材料的总经理Er-Xuan Ping在谈到DRAM工艺时表示。

　　但是从目前的情况来看，1y nm是有可能实现的，1z nm还是无法确定的。从目前的技术情况来看，实现1z nm还是非常遥远的事情。

　　“在1x(18nm)、1y(17nm)及1z(16nm)工艺之后，DRAM内存制造工艺还会减小到1a、1b、1c、1d等”，三星电子DS设备解决方案部门的经理Jung Eun-seung称三星需要开发与现有材料不同的、新的半导体材料，还要提高制程工艺的稳定性以便能大规模量产。

　　DRAM面临四个重要的技术挑战

　　除了商业问题，DRAM还面临四个重要的技术挑战——能量功耗，带宽，延迟和制程升级。DRAM本身是建立在一个晶体管一个电容器(1T1C)单元结构的基础上。单元排列成一个矩形，呈网状模式。

　　简单的说，对DRAM单元的晶体管施加电压，反过来给存储电容器充电，然后每比特数据存储在电容器中。

　　随着时间的推移，当晶体管关闭时，电容器中的电荷会泄露或者放电。因此，在电容器中存储的数据必须每64毫秒就刷新一次，但这会导致系统不必要的能量功耗。

　　还有一些其他问题。来自ARM公司的信息是，从2009年到2014年，手机设备中的存储带宽需求已经增加了16倍。然而时钟延迟和器处理器到DRAM的数据传输器件延迟一直保持相对恒定。

　　一个关键的延迟度量叫做tRC。思科的Slayman认为，处理器运行的越来越快，但从过去二十年的tRC来看，DRAM速度只增加了两倍。所以，DRAM不是更快，但带宽(要求)会继续加大。

　　为解决此问题，几年前半导体行业研发了存储器接口技术，叫做双倍数据速率(DDR)。DDR技术每时钟周期会传输两倍的数据。

　　对于PC和服务器，行业正从DDR3标准往DDR4DRAM过渡。DDR4 DRAM数据率高达25.8-GB/s，是DDR3 DRAM的两倍。在移动领域，OEM正从LPDDR3转型至LPDDR4 DRAM。LPDDR DRAM是DRAM的低功耗版本。LPDDR4的数据率也高达25.8-GB/s。

　　现在，DDR4/LPDDR4 DRAM正在量产爬坡，但是这项技术可能不够快。事实上，一些OEM厂商想要更快的存储器和更大的带宽。

　　于是呢?现在，在一些不起眼的角落，行业正着眼于下一代接口技术——DDR5和LPDDR5。Slayman说：“现在需要DDR4的替代品，服务器和路由器的确需要大量的存储器，他们也许需要类似DDR5那样提供尽可能高的密度的解决方案。”

　　DDR5/LPDDR5的规格和时间尚不清楚。DDR5/LPDDR5甚至有可能永远不会出现。实际上，DDR4/LPDDR4或者是DDR5/LPDDR5可能成为二维DRAM的终结，并且有一个更好的理由——DRAM将很快停止制程升级。

　　18/17nm工艺DRAM进展不顺

　　即便三星、美光、SK Hynix今年要大规模量产20nm工艺以内的18nm、17nm内存芯片，但是从目前的情况来看，结果进展并不顺利，产能还会继续吃紧。市场上，4GB的DDR4 PC内存Q2季度合约价预计会从24美元涨至27美元，提升12.5%就是一个非常好的证明。

　　DRAMeXchange分析师Avril Wu在最新报告中指出PC OEM厂商原本以为三星、美光升级18nm、17nm工艺的内存芯片之后，内存产品供应量会加大，有助于缓解内存缺货涨价的问题，不料天不遂人愿，内存厂商在新制程转换上遇到了良率、样品认证等问题，以致于Q2季度的供应还会继续吃紧，价格继续上涨也是定局。

　　三星去年3月底就率先宣布量产18nm工艺内存，当初写这个新闻时业界给出的预期是下半年内存价格会大降40%，结果......但是从当时的情况来看，业界预期降价也是有理由的，因为18nm工艺的内存容量更大，性能更好，产能也会更多，一旦三星大规模量产，内存产品按理说确实会降价，只是没想到市场情况发生了变化。

　　就18nm工艺来说，三星在20nm之后的节点也遇到了很多技术困难，这不仅与芯片设计、制造有关，甚至在某些平台上还出现了兼容性问题，因此18nm内存的出货遭遇延期，市场供应依然紧缺。

　　美光公司Q1季度宣布出样17nm工艺的新一代内存，但是进展也比预计的晚一些，美光很可能推迟到今年Q2季度之后再来量产17nm内存。

　　相比美光、三星，SK Hynix是唯一一家没有宣布制程工艺转换的内存公司了，其DRAM内存产品维持正常出货。

　　这三家内存厂商在新技术转换过程遇到的问题说明了20nm工艺之后制程升级的门槛提高了，过程要比想象中困难，耗费的时间也比预期更久。

　　为什么说15nm是极限

　　韩媒etnews 18日报导，业界消息称，三星去年开始量产18nm DRAM，目前正研发17nm DRAM，预定今年底完成开发、明年量产。与此同时，三星也成立16nm DRAM开发小组，目标最快2020年量产。相关人士透露，微缩难度高，2020年量产时间可能延后。

　　业界预计15nm节点将是(传统)DRAM内存的终点，未来DRAM的技术门槛会越来越高。

　　未来两年三星还会研发代号Kevlar(凯夫拉)的16nm工艺，预计在2020年早些时候大规模量产。三星现在的产能主力还是20nm工艺(代号Boltzmann，玻尔兹曼)，18nm产能正在稳步提升，预计明年18nm工艺就会占据主要份额。

　　三星从20nm制程(28→25→20)，转进10nm制程(18→17)，缩小线宽(Line-width)的速度明显放缓。三星尚未成立15nm制程以下的研发团队，因为由此开始，电流外泄和电容器干扰和情况将更为明显，需要开发新的材质。

　　三星设备解决方案部门的半导体实验室人员Jung Eun-seung说，为了继续缩小线宽，必须开发与当前不同的新材质，并提高制程稳定性，以便进入量产。

　　中国DRAM的前景又如何

　　从现在看来，中国本土的存储产业虽然有点弱小，但是中国大张旗鼓的建设，大基金和政府的支持，这绝对是存储领域不能忽视的新兴力量。

　　从IC Insights的报告我们得知，中国现有的存储势力包括：

　　(1)长江存储，这是清华紫光在今年7月收购XMC之后成立的新公司。它的300mm 3D NANND FLASH 晶圆厂已经动工，产线预计2017年底或者2018年初投入使用。

　　(2)兆易创新和中芯国际前CEO王宁国打造的合肥长鑫，专攻DRAM，预计2017年7月动工。

　　(3)福建晋华项目，强攻DRAM，由当地政府和联电携手打造。预计2018年第三季度量产。

　　据半导体行业观察小编了解到，按照早期规划，长江存储原本是想既做Flash，又做DRAM的。但经过了几个月的运营，形势逐渐明朗，长江存储还是只专注于做NAND Flash。

　　但是DRAM对中国来说，同样重要，所以中国也不会忽视。另外跟FLASH相比，DRAM的供应商更少，且专利什么的更集中，竞争对手少，但是强大。

　　联电和福建政府打造的晋华项目，就是瞄准DRAM而去的。双方的合作在今年五月份宣布的，这个合作是中国半导体建设的一个重要组成部分。

　　根据合作协议，联电会在台湾成立一个百人规模的研发团队，而福建晋华则提供研发所需的资金。根据分析人士透露，联电本身对于进入DRAM是没有什么兴趣，但他们看好和中国合作伙伴共同推进先进技术后带来的收益。

　　晋华项目将投资56.5亿美元在晋江建立一个300mm晶圆厂，投入先进存储技术的研发。计划2018年9月试产，并达到月产6万片的规模。据透露，初期将会导入32nm制程。

　　结论

　　中国半导体产业正处在黄金阶段，我国政府和业界对集成电路产业的高度重视和大力投入，当前是半导体存储器产业实现突破的绝好机遇，而国务院于2014年6月颁布了《国家集成电路产业发展推进纲要》，要实现其中集成电路行业产值从2015年3500亿人民币以年均20%的增速达到2020年约8700亿人民币这一目标，DRAM产业的增长显得至关重要。

　　目前，随着DRAM的技术门槛越来越高。DRAM制程升级还有多远的路要走?下一个制程节点可能是18nm。而到15nm的挑战性会更大。15nm或许将成为DRAM制程微缩的极限。未来三星可能难以透过制程微缩拉大与对手差距，而这或许正是中国企业在DRAM产业大步赶上的最好时机!

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