巨頭們低調(diào)發(fā)力，3D DRAM或在未來3年成為主要方向
據(jù)Business Korea報(bào)道，有行業(yè)人士透露，三星和SK海力士的高管在最近的一些官方活動(dòng)上，都將3D DRAM作為克服DRAM物理極限的一種方式。三星表示，3D DRAM是半導(dǎo)體行業(yè)未來的增長(zhǎng)動(dòng)力。SK海力士則認(rèn)為，大概在明年，關(guān)于3D DRAM的電氣特性細(xì)節(jié)將被公開，從而決定其發(fā)展方向。
3D 堆疊開啟DRAM新未來
當(dāng)前，DRAM主要需求來源分別為PC端、移動(dòng)端、服務(wù)器端，其中PC端占比12.6%，移動(dòng)端占比37.6%，服務(wù)器占比 34.9%，三者占總需求近90%。
從目前發(fā)展事態(tài)來看，PC端已經(jīng)進(jìn)入了存量替代市場(chǎng)，出貨穩(wěn)定，對(duì)DRAM的需求也趨于穩(wěn)定。但隨著5G熱潮的到來，移動(dòng)DRAM和服務(wù)器DRAM需求變得旺盛，DRAM迎來了“芯”拐點(diǎn)，智能手機(jī)帶來的出貨增長(zhǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、商用服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，成為拉動(dòng)DRAM需求的主力軍。此外，DRAM作為自動(dòng)駕駛技術(shù)中不可或缺的一部分，車用DRAM也將成為未來的新增量。
然而，龐大的需求端下，是人們不斷增長(zhǎng)的對(duì)高容量、高性能、小存儲(chǔ)單元尺寸以及低功耗存儲(chǔ)設(shè)備需求，這也使得DRAM在帶寬和延遲方面的挑戰(zhàn)更為緊迫，帶寬指的是可以寫入內(nèi)存或可以從中讀取的數(shù)據(jù)量，而延遲是對(duì)內(nèi)存的請(qǐng)求與其執(zhí)行之間的時(shí)間間隔。受限于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系的馮-諾依曼架構(gòu)，存儲(chǔ)器帶寬與計(jì)算需求之間的存儲(chǔ)墻問題日益突出，成為當(dāng)今計(jì)算中的最大問題之一。
一般來說，計(jì)算機(jī)中的 DRAM 存儲(chǔ)單元由單個(gè)晶體管和單個(gè)電容器制成，即所謂的 1T1C 設(shè)計(jì)。這種存儲(chǔ)單元在寫入時(shí)打開晶體管，電荷被推入電容器 (1) 或從電容器 (0) 去除；讀取時(shí)則會(huì)提取并度量電荷。該系統(tǒng)速度超級(jí)快，價(jià)格便宜，并且功耗很小，但它也有一些缺點(diǎn)。
DRAM作為一種易失性的、基于電容的、破壞性讀取形式的存儲(chǔ)器，在讀取的時(shí)候會(huì)消耗電容器的電量，因此讀取就要將該位寫回到內(nèi)存中。即使不進(jìn)行讀取，電荷最終也會(huì)通過晶體管從電容器中泄漏出來，從而隨著時(shí)間的流逝而失去其明確定義的充電狀態(tài)。雖然定期刷新可以保持?jǐn)?shù)據(jù)，但這也意味著需要讀取存儲(chǔ)器的內(nèi)容并將其重新寫回。
為了讓DRAM更好地滿足未來市場(chǎng)需求，業(yè)界也在不斷地尋找新技術(shù)來突破目前的瓶頸，3D DRAM正是其中一個(gè)主流的技術(shù)方向。
據(jù)了解，3D DRAM是將存儲(chǔ)單元（Cell）堆疊至邏輯單元上方以實(shí)現(xiàn)在單位晶圓面積上產(chǎn)出上更多的產(chǎn)量，從這方面來說，3D DRAM 可以有效解決平面DRAM最重要也最艱難的挑戰(zhàn)，那就是儲(chǔ)存電容的高深寬比。儲(chǔ)存電容的深寬比通常會(huì)隨著組件工藝微縮而呈倍數(shù)增加，也就是說，平面DRAM的工藝微縮會(huì)越來越困難。
除了片晶圓的裸晶產(chǎn)出量增加外，使用3D堆棧技術(shù)也能因?yàn)榭芍貜?fù)使用儲(chǔ)存電容而有效降低 DRAM的單位成本。因此，可以認(rèn)為DRAM從2D架構(gòu)轉(zhuǎn)向3D架構(gòu)是未來的主要趨勢(shì)之一。
3D DRAM或在未來3年成為主要方向
自2010年至今，3D DRAM的可能性一直在探索階段，目前已有一些3D DRAM技術(shù)出現(xiàn)在市場(chǎng)上或?qū)嶒?yàn)室中，如HBM、HMC、基于IGZO的CAA晶體管3D DRAM等。三星、SK海力士對(duì)3D DRAM加速商業(yè)化有助于推進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展。
HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬存儲(chǔ)器）技術(shù)可以說是DRAM從傳統(tǒng)2D向立體3D發(fā)展的主要代表產(chǎn)品，開啟了DRAM 3D化道路。它主要是通過硅通孔（Through Silicon Via, 簡(jiǎn)稱“TSV”）技術(shù)進(jìn)行芯片堆疊，以增加吞吐量并克服單一封裝內(nèi)帶寬的限制，將數(shù)個(gè)DRAM裸片垂直堆疊，裸片之間用TVS技術(shù)連接。HBM的優(yōu)點(diǎn)是帶寬高、功耗低、封裝體積小，適合用于高性能計(jì)算、圖形處理等領(lǐng)域。HBM的缺點(diǎn)是成本高、制造復(fù)雜、熱管理困難等。
HMC（混合存儲(chǔ)立方體）是一種將多層DRAM芯片堆疊在一起，并通過TSV和微銅柱連接到一個(gè)邏輯層上的技術(shù)。HMC的優(yōu)點(diǎn)是帶寬高、功耗低、可擴(kuò)展性強(qiáng)，適合用于服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。HMC的缺點(diǎn)是成本高、兼容性差、供應(yīng)鏈不穩(wěn)定等。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展是以混合內(nèi)存立方體聯(lián)盟(Hybrid Memory Cube Consortium；HMCC)為主導(dǎo)，成員包括主要的內(nèi)存制造商，如美光(Micron)、海力士(SK Hynix)和三星(Samsung)，以及像是Altera、Arm、IBM、微軟(Microsoft)、Open-Silicon和賽靈思(Xilinx)等開發(fā)商。
而讓HMC和HBM高階內(nèi)存得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于采用了TSV，但這一技術(shù)也使得制造成本大幅增加。
基于IGZO的CAA晶體管3D DRAM是一種利用IGZO（氧化物半導(dǎo)體）材料制作CAA（電容器輔助接入）晶體管，并將其與DRAM芯片堆疊在一起的技術(shù)?；贗GZO的CAA晶體管3D DRAM的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)無電容結(jié)構(gòu)，從而提高存儲(chǔ)密度和信噪比，降低漏電和刷新頻率，適合用于移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域。基于IGZO的CAA晶體管3D DRAM的缺點(diǎn)是目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，尚未量產(chǎn)或商用。
根據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)分析公司TechInsights的數(shù)據(jù)，在內(nèi)存半導(dǎo)體市場(chǎng)排名第三的美光公司正在積極準(zhǔn)備藍(lán)海市場(chǎng)，在2022年8月前獲得30多項(xiàng)3D DRAM的專利技術(shù)。與三星電子持有的不到15項(xiàng)DRAM專利和SK海力士持有的約10項(xiàng)專利相比，美光獲得的3D DRAM相關(guān)專利是這兩家韓國(guó)芯片制造商的兩到三倍。
巨頭們低調(diào)發(fā)力
在2021年接受semiengineering采訪的時(shí)候，三大存儲(chǔ)巨頭都沒有回應(yīng)關(guān)于他們3D DRAM方案的事情。但是Yole在2022年年初曾經(jīng)報(bào)道，三星電子準(zhǔn)備開發(fā)世界上第一個(gè) 3D DRAM，并正在加速 3D DRAM 的研發(fā)。
按照Yole的介紹，三星電子已經(jīng)開始開發(fā)一種用于堆疊cell的技術(shù)，一種與高帶寬存儲(chǔ)器 (HBM) 大不相同的堆疊概念。此外，三星電子也在考慮增加DRAM晶體管的柵極（current gate）和溝道（current path）之間的接觸面。這意味著三側(cè)接觸FinFet技術(shù)和四側(cè)接觸環(huán)柵（GAA）技術(shù)可以用于DRAM生產(chǎn)。當(dāng)柵極和溝道之間的接觸面增加時(shí)，晶體管可以更精確地控制電流。
在2022年9月接受日本eetimes采訪的時(shí)候，美光公司也確認(rèn)正在探索3D DARM的方案。
美光表示，3D DRAM 正在被討論作為繼續(xù)擴(kuò)展 DRAM 的下一步。為了實(shí)現(xiàn) 3D DRAM，整個(gè)行業(yè)都在積極研究，從制造設(shè)備的開發(fā)、先進(jìn)的 ALD（原子層沉積）、選擇性氣相沉積、選擇性蝕刻，再到架構(gòu)的討論。
美光同時(shí)強(qiáng)調(diào)，3D DRAM目前碰到的主要問題仍然存在于成本和技術(shù)方面。技術(shù)挑戰(zhàn)存在于廣泛的領(lǐng)域，包括設(shè)備和結(jié)構(gòu)、制造工藝、制造設(shè)備、材料和架構(gòu)?！盀榱藦钠矫鍰RAM轉(zhuǎn)向3D DRAM，需要所有領(lǐng)域的創(chuàng)新。此外，這種轉(zhuǎn)變需要在成本曲線和性能與 DRAM 縮放路線圖相交的地方實(shí)現(xiàn)?！泵拦夥矫鎻?qiáng)調(diào)。
為此美光坦言，該行業(yè)繼續(xù)擴(kuò)展平面并尋找推進(jìn) DRAM 路線圖的方法。此外，新的內(nèi)存架構(gòu)的開發(fā)也在進(jìn)行中，因此DRAM在系統(tǒng)中的角色正在發(fā)生變化，或許有可能在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持平面型。“在這一點(diǎn)上，內(nèi)存制造商正在投資（平面和 3D）以預(yù)期拐點(diǎn)以保持 DRAM 的持續(xù)擴(kuò)展，雖然DRAM的每個(gè)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展變得越來越困難，但至少在接下來的幾年里，傳統(tǒng)的擴(kuò)展將繼續(xù)下去?！泵拦夥矫娼又f。
Yole則表示，美光提交了與三星電子不同的 3D DRAM 專利申請(qǐng)。美光的方法是在不放置cell的情況下改變晶體管和電容器的形狀。
至于SK海力士的3D DRAM方案，網(wǎng)上并沒有看到太多介紹。不過Yole強(qiáng)調(diào)，SK海力士正在大力投入其中。除此以外，Applied Materials 和 Lam Research 等全球半導(dǎo)體設(shè)備制造商也開始開發(fā)與 3D DRAM 相關(guān)的解決方案。
具體到三大存儲(chǔ)巨頭在3D DRAM的表示，據(jù)businesskorea引述TechInsights 的數(shù)據(jù)顯示，美光自2019年就已經(jīng)開始了3D DRAM的研究，獲得的專利數(shù)量是這兩家韓國(guó)芯片制造商的兩到三倍。
TechInsights進(jìn)一步指出，在內(nèi)存半導(dǎo)體市場(chǎng)排名第三的美光正積極準(zhǔn)備藍(lán)海市場(chǎng)，截止2022 年 8 月將獲得 30 多項(xiàng) 3D DRAM 專利技術(shù)。相比之下，三星的3D DRAM專利不到 15 項(xiàng) ，而SK 海力士持有的大約 10 項(xiàng)專利。
此外，國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)甚至企業(yè)都在投入到3D DRAM的研發(fā)當(dāng)中。中科院微電子所就曾經(jīng)撰文表示，針對(duì)平面結(jié)構(gòu)IGZO-DRAM的密度問題，微電子所微電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明院士團(tuán)隊(duì)在垂直環(huán)形溝道結(jié)構(gòu)（Channel-All-Around, CAA）IGZO FET的基礎(chǔ)上，研究了第二層器件堆疊前層間介質(zhì)層工藝的影響，驗(yàn)證了CAA IGZO FET在2T0C DARM應(yīng)用中的可靠性。
