DRAM制程失速，全球存儲市場在競爭什么？
關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體 DRAM 芯片 SK海力士
不過最近ChatGPT在全球范圍內(nèi)掀起了一股熱潮，這款人工智能工具在推出后，受到了不少人的關(guān)注。英偉達(dá)創(chuàng)始人兼CEO黃仁勛先生在近期的演講中表示，ChatGPT是人工智能領(lǐng)域的iPhone時(shí)刻，也是計(jì)算領(lǐng)域有史以來最偉大的技術(shù)之一。
事實(shí)上，ChatGPT的出現(xiàn)似乎給存儲器制造商帶來了轉(zhuǎn)機(jī)。據(jù)Business Korea報(bào)道，今年年初以來，三星和SK海力士的HBM訂單量激增，價(jià)格也水漲船高，給低迷的DRAM市場注入了一絲活力。
DRAM縮放速度放緩
對DRAM芯片來說，隨著晶體管尺寸越來越小，芯片上集成的晶體管就越多，也就代表一片芯片能實(shí)現(xiàn)更高的內(nèi)存容量。
從DRAM三巨頭工藝尺寸的發(fā)展歷程來看，三星、SK海力士、美光在2016-2017年進(jìn)入1X(16nm-19nm)階段，2018-2019年為1Y(14nm-16nm)，2020年處于1Z(12nm-14nm)時(shí)代。后續(xù)，行業(yè)廠商朝著1α、1β、1γ等技術(shù)階段繼續(xù)邁進(jìn)。
目前，各大廠家繼續(xù)向10nm逼近，目前最新的1α節(jié)點(diǎn)仍處于10+nm階段。
2022年10月，三星在Samsung Foundry Forum 2022活動上公布DRAM技術(shù)路線圖，預(yù)計(jì)2023年進(jìn)入1β工藝階段，即第五代10nm級別DRAM產(chǎn)品。同年12月，三星開發(fā)出首款采用12nm級工藝技術(shù)打造的16Gb DDR5 DRAM。
2022年11月，美光將1β DRAM產(chǎn)品送往客戶的產(chǎn)品驗(yàn)證流水線，率先進(jìn)入了1β節(jié)點(diǎn)，這意味著將DRAM芯片的晶體管工藝又向精密處推進(jìn)一步，來到了10納米級別的第五代。且正在對下一代1γ工藝進(jìn)行初步的研發(fā)設(shè)計(jì)。
DRAM工藝制程演進(jìn)至10+nm，繼續(xù)向10nm逼近。
近日，TechInsights高級技術(shù)研究員Jeongdong Choe博士在一場內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)研討會中表示，DRAM單元縮小到10nm的設(shè)計(jì)規(guī)則 (D/R) 一直在進(jìn)行中。主要的DRAM廠商一直在開發(fā)下一代，這意味著DRAM單元D/R可能會進(jìn)一步縮小到個(gè)位數(shù)納米時(shí)代。
然而，從DDR1到DDR5的演變來看，DDR的能耗越來越低，傳輸速度越來越快、存儲容量也越來越大；而從制程工藝的進(jìn)展來看，早前產(chǎn)品的更新時(shí)間大致在3到5年更新一代。在步入20nm以內(nèi)的制程后，DRAM在制程上的突破進(jìn)展呈現(xiàn)放緩趨勢。
尤其是隨著10nm制程的臨近，使其在晶圓上定義電路圖案已經(jīng)接近基本物理定律的極限。由于工藝完整性、成本、單元泄漏、電容、刷新管理和傳感裕度等方面的挑戰(zhàn)，DRAM存儲單元的縮放正在放緩。
此外，從當(dāng)前技術(shù)看，6F2 DRAM單元是存儲行業(yè)的設(shè)計(jì)主流，cell由1T+1C(1晶體管+1電容)構(gòu)成——這種DRAM單元結(jié)構(gòu)將在未來幾代產(chǎn)品上延續(xù)。但如果存儲廠商保持6F2 DRAM單元設(shè)計(jì)以及1T+1C結(jié)構(gòu)，2027年或2028年10nm D/R將是DRAM的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
先進(jìn)制程競賽持續(xù)
DRAM是半導(dǎo)體存儲器的大宗產(chǎn)品之一，經(jīng)過幾十年的大浪淘沙，英特爾、東芝、松下、德州儀器、IBM、Motorola等曾經(jīng)的強(qiáng)者退出DRAM江湖，如今DRAM市場形成了三足鼎立的格局，主要由三星、SK海力士、美光三大巨頭所領(lǐng)導(dǎo)。
據(jù)TrendForce集邦咨詢2022年11月16日研究顯示，截止2022年第三季度，在DRAM市場中，三星份額為40.7%，仍占據(jù)全球第一，SK海力士為28.8%，排位第二，美光為26.4%，居第三。
在DRAM先進(jìn)制程競賽道上，存儲大廠為搶占技術(shù)先機(jī)，也是一刻也不停緩。
美光方面，2022年11月初，美光已經(jīng)將1β DRAM（第五代10nm級別DRAM）產(chǎn)品送往了客戶的產(chǎn)品驗(yàn)證流水線，這也意味著10納米級別的芯片工藝已經(jīng)來到了第五代。相較于1α（alpha），1β（beta）在16G bit的容量下，能效提高約15%、內(nèi)存密度提升35%以上。
同年11月中旬，美光尖端存儲器1β DRAM在日本廣島量產(chǎn)。美光日本廣島工廠一直致力于尖端技術(shù)產(chǎn)品DRAM的生產(chǎn)，目前，該廠投產(chǎn)制程主要為1Z納米（占比50%以上）和1Y納米（占比約35%）。
美光DRAM制程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1Xnm、1Ynm、1Znm、1α四個(gè)節(jié)點(diǎn)，并率先進(jìn)入了1β節(jié)點(diǎn)。據(jù)悉，美光正在對下一代1γ（gamma）工藝進(jìn)行初步的研發(fā)設(shè)計(jì)。
三星方面，2022年10月，三星在Samsung Foundry Forum 2022活動上公布DRAM技術(shù)路線圖。根據(jù)路線圖，三星預(yù)計(jì)，2023年進(jìn)入1b nm工藝階段，即第五代10nm級別DRAM產(chǎn)品，芯片容量將達(dá)到 24Gb（3GB）- 32Gb（4GB），原生速度將在6.4-7.2Gbp之間。
同年12月，三星開發(fā)出首款采用12nm級工藝技術(shù)打造的16Gb DDR5 DRAM，并與AMD一起完成了兼容性方面的產(chǎn)品評估。
自此來看，業(yè)界表示，10納米級別的DRAM制程經(jīng)過了依次為1X（16nm-19nm）、1Y（（14nm-16nm））、1Z（12nm-14nm）、1α（約13nm），目前來到1β（10-12nm）、1γ（約10nm，1β的增強(qiáng)版）的節(jié)點(diǎn)。
對DRAM芯片來說，隨著晶體管尺寸越來越小，芯片上集中的晶體管就越多，也就是說一片芯片能實(shí)現(xiàn)更高的內(nèi)存容量。
而從產(chǎn)品價(jià)格上看，去年以來，DRAM價(jià)格持續(xù)下跌。據(jù)TrendForce集邦咨詢1月9日研究指出，由于消費(fèi)需求疲弱，存儲器賣方庫存壓力持續(xù)，僅三星（Samsung）在競價(jià)策略下庫存略降。為避免DRAM產(chǎn)品再大幅跌價(jià)，諸如美光（Micron）等多家供應(yīng)商已開始積極減產(chǎn)，預(yù)估2023年第一季DRAM價(jià)格跌幅可因此收斂至13~18%，但仍不見下行周期的終點(diǎn)。
寫在最后
面對DRAM市場的蕭條，行業(yè)廠商唯有持續(xù)研發(fā)推出1β、1γ...或更先進(jìn)制程的DRAM產(chǎn)品，以創(chuàng)新技術(shù)在逆境中站穩(wěn)腳跟。
除了上述提到的High-k介電材料、HKMG、柱狀電容器、EUV技術(shù)及3D DRAM之外，研究者們也開始在鐵電材料電容器、無電容DRAM等方面下功夫，試圖借此解決DRAM芯片當(dāng)前的難題。
總體而言，無論是哪種方法均遵循著兩種路徑，要么是在先進(jìn)制程上下功夫，要么是在先進(jìn)封裝上苦心鉆研。兩條路徑相輔相成，缺一不可。
