進入1x nm時代，DRAM產業舉步維艱

隨著美光把台灣南亞科技納入囊中，DRAM內存產業基本上只有三星、SK Hynix及美光三家在玩了。

目前三大廠商的主力製程工藝已經進入20nm，其中三星的進度最快，他們2015年3月份量產了20nm工藝，但現在正在修改工藝，已經完成了1x nm工藝的的量產驗證工作。

在DRAM內存市場上，三星不僅產能、份額最高，技術是最領先的，他們已經率先進入了1x nm工藝。

這聽起來是一件非常瘋狂的事情，因為在大多數工程師看來DRAM的工藝將會止步於20nm左右。

然而三星似乎想將DRAM的工藝延伸的更遠。

SK Hynix和美光也有著類似的計劃。

未來，這些廠商希望在1x nm節點之後能夠繼續推進兩到三代的工藝，然後停留在1x nm上，即便如此這一過程也可能耗費十多年的時間。

但是，將工藝延伸到20nm以下並不是一件簡單的事情。

因為要實現1x nm的目標，三星等廠商就必須推出一些創新的技術。

這其中就包括全新的空氣隔離技術以及創新的分布方案。

但是就目前的情況來看，這些廠商在某些步驟上還依然在使用193nm的光刻技術。

三星的首席工程師J.M. Park表示，「三星已經為18nm開發了全新的技術，這些低成本並具有可靠性的方案，將能夠持續推進18nm 及以下工藝的進步。

」從目前三星在DRAM市場的情況來看，這些在逐漸成為事實。

除了這些創新的技術，發展DRAM工藝還需要投入大量的資金。

根據Pacific Crest Securities的數據顯示，要實現先進技術的DRAM工藝每月10000wafer的產量，需要投入6億美元的成本。

而同等工藝的NAND只需要4.5億美元。

DRAM是什麼？

RAM(Random Access Memory隨機存貯器)是指通過指令可以隨機地、個別地對每個存儲單元進行訪問、訪問所需時間基本固定、且與存儲單元地址無關的可以讀寫的存儲器。

幾乎所有的計算機系統和智能電子產品中，都是採用RAM作為主存。

在系統內部，RAM是僅次於CPU的最重要的器件之一。

它們之間的關係，就如人的大腦中思維與記憶的關係一樣，實際上是密不可分的。

但在計算機內部，它們卻是完全獨立的器件，沿著各自的道路向前發展。

DRAM(Dynamic RAM)即動態RAM，是RAM家族中最大的成員，通常所講的RAM即指DRAM. DRAM由電晶體和小電容存儲單元組成。

每個存儲單元都有一小的蝕刻電晶體，這個電晶體通過小電容的電荷保持存儲狀態，即「開」和「關」。

電容類似於小充電電池。

它可以用電壓充電以代表1，放電後代表0，但是被充電的電容會因放電而丟掉電荷，所以它們必須由一新電荷持續地「刷新」。

與CPU等晶片相比，DRAM內存在20nm節點之後也放緩了速度，線寬減少越來越困難，40nm工藝的DRAM內存晶片線寬減少約為5-10nm，20nm工藝的線寬減少就只有2-3nm了，更先進的工藝減少線寬就更困難了。

在20nm以下，DRAM工藝預計將經過兩到三次的技術疊代.，可以稱之為1x nm，1y nm，1z nm。

「其中，1x nm位於16nm和19nm之間，1y nm則定義為14nm到16nm，1z nm則是12nm到14nm。

」應用材料的總經理Er-Xuan Ping在談到DRAM工藝時表示。

但是從目前的情況來看，1y nm是有可能實現的，1z nm還是無法確定的。

從目前的技術情況來看，實現1z nm還是非常遙遠的事情。

「在1x（18nm）、1y（17nm）及1z（16nm）工藝之後，DRAM內存製造工藝還會減小到1a、1b、1c、1d等」，三星電子DS設備解決方案部門的經理Jung Eun-seung稱三星需要開發與現有材料不同的、新的半導體材料，還要提高製程工藝的穩定性以便能大規模量產。

DRAM面臨四個重要的技術挑戰

除了商業問題，DRAM還面臨四個重要的技術挑戰——能量功耗，帶寬，延遲和製程升級。

DRAM本身是建立在一個電晶體一個電容器（1T1C）單元結構的基礎上。

單元排列成一個矩形，呈網狀模式。

簡單的說，對DRAM單元的電晶體施加電壓，反過來給存儲電容器充電，然後每比特數據存儲在電容器中。

隨著時間的推移，當電晶體關閉時，電容器中的電荷會泄露或者放電。

因此，在電容器中存儲的數據必須每64毫秒就刷新一次，但這會導致系統不必要的能量功耗。

還有一些其他問題。

來自ARM公司的信息是，從2009年到2014年，手機設備中的存儲帶寬需求已經增加了16倍。

然而時鐘延遲和器處理器到DRAM的數據傳輸器件延遲一直保持相對恆定。

一個關鍵的延遲度量叫做tRC。

思科的Slayman認為，處理器運行的越來越快，但從過去二十年的tRC來看，DRAM速度只增加了兩倍。

所以，DRAM不是更快，但帶寬（要求）會繼續加大。

為解決此問題，幾年前半導體行業研發了存儲器接口技術，叫做雙倍數據速率（DDR）。

DDR技術每時鐘周期會傳輸兩倍的數據。

對於PC和伺服器，行業正從DDR3標準往DDR4DRAM過渡。

DDR4 DRAM數據率高達25.8-GB/s，是DDR3 DRAM的兩倍。

在移動領域，OEM正從LPDDR3轉型至LPDDR4 DRAM。

LPDDR DRAM是DRAM的低功耗版本。

LPDDR4的數據率也高達25.8-GB/s。

現在，DDR4/LPDDR4 DRAM正在量產爬坡，但是這項技術可能不夠快。

事實上，一些OEM廠商想要更快的存儲器和更大的帶寬。

於是呢？現在，在一些不起眼的角落，行業正著眼於下一代接口技術——DDR5和LPDDR5。

Slayman說：「現在需要DDR4的替代品，伺服器和路由器的確需要大量的存儲器，他們也許需要類似DDR5那樣提供儘可能高的密度的解決方案。

」

DDR5/LPDDR5的規格和時間尚不清楚。

DDR5/LPDDR5甚至有可能永遠不會出現。

實際上，DDR4/LPDDR4或者是DDR5/LPDDR5可能成為二維DRAM的終結，並且有一個更好的理由——DRAM將很快停止製程升級。

18/17nm工藝DRAM進展不順

即便三星、美光、SK Hynix今年要大規模量產20nm工藝以內的18nm、17nm內存晶片，但是從目前的情況來看，結果進展並不順利，產能還會繼續吃緊。

市場上，4GB的DDR4 PC內存Q2季度合約價預計會從24美元漲至27美元，提升12.5%就是一個非常好的證明。

DRAMeXchange分析師Avril Wu在最新報告中指出PC OEM廠商原本以為三星、美光升級18nm、17nm工藝的內存晶片之後，內存產品供應量會加大，有助於緩解內存缺貨漲價的問題，不料天不遂人願，內存廠商在新製程轉換上遇到了良率、樣品認證等問題，以致於Q2季度的供應還會繼續吃緊，價格繼續上漲也是定局。

三星去年3月底就率先宣布量產18nm工藝內存，當初寫這個新聞時業界給出的預期是下半年內存價格會大降40%，結果......但是從當時的情況來看，業界預期降價也是有理由的，因為18nm工藝的內存容量更大，性能更好，產能也會更多，一旦三星大規模量產，內存產品按理說確實會降價，只是沒想到市場情況發生了變化。

就18nm工藝來說，三星在20nm之後的節點也遇到了很多技術困難，這不僅與晶片設計、製造有關，甚至在某些平台上還出現了兼容性問題，因此18nm內存的出貨遭遇延期，市場供應依然緊缺。

美光公司Q1季度宣布出樣17nm工藝的新一代內存，但是進展也比預計的晚一些，美光很可能推遲到今年Q2季度之後再來量產17nm內存。

相比美光、三星，SK Hynix是唯一一家沒有宣布製程工藝轉換的內存公司了，其DRAM內存產品維持正常出貨。

這三家內存廠商在新技術轉換過程遇到的問題說明了20nm工藝之後製程升級的門檻提高了，過程要比想像中困難，耗費的時間也比預期更久。

為什麼說15nm是極限

韓媒etnews 18日報導，業界消息稱，三星去年開始量產18nm DRAM，目前正研發17nm DRAM，預定今年底完成開發、明年量產。

與此同時，三星也成立16nm DRAM開發小組，目標最快2020年量產。

相關人士透露，微縮難度高，2020年量產時間可能延後。

業界預計15nm節點將是（傳統）DRAM內存的終點，未來DRAM的技術門檻會越來越高。

未來兩年三星還會研發代號Kevlar（凱夫拉）的16nm工藝，預計在2020年早些時候大規模量產。

三星現在的產能主力還是20nm工藝（代號Boltzmann，玻爾茲曼），18nm產能正在穩步提升，預計明年18nm工藝就會占據主要份額。

三星從20nm製程（28→25→20），轉進10nm製程（18→17），縮小線寬（Line－width）的速度明顯放緩。

三星尚未成立15nm製程以下的研發團隊，因為由此開始，電流外泄和電容器干擾和情況將更為明顯，需要開發新的材質。

三星設備解決方案部門的半導體實驗室人員Jung Eun－seung說，為了繼續縮小線寬，必須開發與當前不同的新材質，並提高製程穩定性，以便進入量產。

中國DRAM的前景又如何

從現在看來，中國本土的存儲產業雖然有點弱小，但是中國大張旗鼓的建設，大基金和政府的支持，這絕對是存儲領域不能忽視的新興力量。

從IC Insights的報告我們得知，中國現有的存儲勢力包括：

（1）長江存儲，這是清華紫光在今年7月收購XMC之後成立的新公司。

它的300mm 3D NANND FLASH 晶圓廠已經動工，產線預計2017年底或者2018年初投入使用。

（2）兆易創新和中芯國際前CEO王寧國打造的合肥長鑫，專攻DRAM，預計2017年7月動工。

（3）福建晉華項目，強攻DRAM，由當地政府和聯電攜手打造。

預計2018年第三季度量產。

據半導體行業觀察小編了解到，按照早期規劃，長江存儲原本是想既做Flash，又做DRAM的。

但經過了幾個月的運營，形勢逐漸明朗，長江存儲還是只專注於做NAND Flash。

但是DRAM對中國來說，同樣重要，所以中國也不會忽視。

另外跟FLASH相比，DRAM的供應商更少，且專利什麼的更集中，競爭對手少，但是強大。

聯電和福建政府打造的晉華項目，就是瞄準DRAM而去的。

雙方的合作在今年五月份宣布的，這個合作是中國半導體建設的一個重要組成部分。

根據合作協議，聯電會在台灣成立一個百人規模的研發團隊，而福建晉華則提供研發所需的資金。

根據分析人士透露，聯電本身對於進入DRAM是沒有什麼興趣，但他們看好和中國合作夥伴共同推進先進技術後帶來的收益。

晉華項目將投資56.5億美元在晉江建立一個300mm晶圓廠，投入先進存儲技術的研發。

計劃2018年9月試產，並達到月產6萬片的規模。

據透露，初期將會導入32nm製程。

結論

中國半導體產業正處在黃金階段，我國政府和業界對集成電路產業的高度重視和大力投入，當前是半導體存儲器產業實現突破的絕好機遇，而國務院於2014年6月頒布了《國家集成電路產業發展推進綱要》，要實現其中集成電路行業產值從2015年3500億人民幣以年均20%的增速達到2020年約8700億人民幣這一目標，DRAM產業的增長顯得至關重要。

目前，隨著DRAM的技術門檻越來越高。

DRAM製程升級還有多遠的路要走？下一個製程節點可能是18nm。

而到15nm的挑戰性會更大。

15nm或許將成為DRAM製程微縮的極限。

未來三星可能難以透過製程微縮拉大與對手差距，而這或許正是中國企業在DRAM產業大步趕上的最好時機！（文/劉燚）

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1254期內容，歡迎關注。

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