功耗降低15倍！韩国研究员开发出新型超低功耗相变存储器件可用于神经拟态计算【附全球存储芯片技术赛道观察图谱】

  韩国科学技术院(KAIST)电气工程学院Shinhyun Choi教授的研究团队开发了具有超低功耗的下一代相变存储器件，可以取代DRAM和NAND闪存，该研究发表在《自然》杂志上。

  现有的相变存储器存在诸如用来制造大规模器件的昂贵制造工艺以及需要大量电力来运行等问题。未解决这样一些问题，Choi教授的研究团队开发了一种超低功耗相变存储器件，通过电形成非常小的纳米(nm)级相变灯丝，无需昂贵的制造工艺。这项新开发的优点是不仅处理成本非常低，且能以超低功耗运行。

  新开发的相变存储器结合了DRAM和NAND闪存的优点，具有高速和非易失性的特性。因此，相变存储器作为可以取代现有存储器的下一代存储器而受到重视，并且作为模仿人脑的存储技术或神经形态计算技术正在被积极研究。

  然而，传统的相变存储器件需要大量的功率来运行，这使得制造实用的大容量存储产品或实现神经形态计算系统变得困难。未解决相变存储器的功耗问题，Shinhyun Choi教授的研究团队创造了一种在极小面积内电形成相变材料的方法，成功实现了功耗降低15倍的超低功耗相变存储器件与使用昂贵的光刻工具制造的传统相变存储器件相比。

  存储芯片，是以半导体电路作为存储媒介的存储器，用于保存二进制数据的记忆设备。存储芯片是半导体产业的重要分支，约占全球半导体市场的四分之一至三分之一。存储芯片行业上游主要为硅片、光刻胶、CMP抛光液等原材料以及光刻机、PVD、CVD、刻蚀设备、清理洗涤设施和检测与测试设备等设备;中游为存储芯片制造及封装，常见的存储芯片包括DRAM、NAND闪存芯片和NOR闪存芯片等;下游为消费电子、信息通信、高新科技技术和汽车电子等应用领域。

  韩国研究团队开发出超低功耗的下一代相变存储器件，可用于替代现有存储器或用于实现下一代人工智能硬件的神经拟态计算。因此，从存储芯片产业链上看，该技术属于产业链的中游环节。

  从SLC到QLC，每个存储单元能存储的数据从1位增加至4位，状态从2种增加至16种，存储空间迅速增加。过去NAND Flash为2D平面结构，相比之下3D NAND使用多层垂直堆叠技术，拥有更大的容量、更低的功耗、更好的耐用性以及更低的成本。目前3D技术正在稳步推进中，未来的发展趋势就是层数的继续堆叠。

  3D NAND闪存技术的进步，让三星Samsung、海力士SK Hynx、西部数据WD、美光Micron、铠侠Kioxia、英特尔Intel等重视存储芯片的半导体厂商从中尝到了甜头，从全球半导体厂商发展的趋势来看，在存储芯片领域发力获得创造新兴事物的能力具备强大产能的半导体厂商，也纷纷获得了较好的营收增长。由此也带来了存储芯片制造领域的军备竞赛，业内俗称盖楼大赛。

  根据全球NAND闪存厂商的技术线路图，三星、海力士、美光都计划在2020年推出128层的(TLC/QLC)，而在2020年后，QLC将慢慢地发展并成为主流。在2018年后，中国的长江储存技术出现在世界视野中，中国NAND Flash厂商长江存储(YMTC)已在2020年第一季将128层3D NAND样品送交存储控制器厂商，目前产能和产量都处于提升阶段。

  市场规模方面，2021年全球NAND闪存芯片销售额达669亿美元，同比增长18.20%。伴随着消费电子需求冷却，2022年销售额达到587亿美元，同比下降12.26%。

  区域分布方面，当前全球NAND市场规模主要集中于美国、中国、欧洲和日本地区，四大地区合计市场占有率达79%，其中得益于智能手机的需求，中国地区对NAND闪存的市场销售额占比全球最大，根据Yole的数据，2022年中国地区NAND闪存市场销售额占全球33%。

  市场前景方面，闪存慢慢的变成了智能手机的一个重要组成部分。NAND闪存的需求呈指数级增长，主要受智能手机平均容量增长的推动。智能手机的NAND闪存可以明显提高浏览网页、邮件加载、游戏甚至Facebook等社交网站的性能。随只能手机的普及，各家公司都在添加额外的功能和应用程序，以将自己的产品与其他制造商区分开来。例如，制造商正在将手势控制、指纹扫描仪和GPS等功能集成到设备中，这提振了对NAND闪存的需求，预计2028年NAND FLASH市场规模将约为1040亿美元。

  DRAM的技术发展路径是以微缩制程来提高存储密度。制程工艺进入20nm之后，制造难度大幅度的提高，内存芯片厂商对工艺的定义从具体的线宽转变为在具体制程范围内提升二或三代技术来提高存储密度。譬如，1X/1Y/1Z是指10nm级别第一代、第二代、第三代技术，未来还有1α/1β/1γ。

  目前市场上DRAM的应用比较广泛的制程是2Xnm和1Xnm，三星、美光、海力士等巨头厂商均已开发出1Znm制程的DRAM。国产DRAM厂商合肥长鑫现已量产的DRAM为19nm制程，预计2021年可投产17nmDRAM，技术与国际先进的厂商还有较大的差距。

  市场规模方面，2016-2022年，全球DRAM市场规模波动变化，2021年销售额达940亿美元，同比增长39.47%。伴随着消费电子需求冷却，2022年销售额达到797亿美元，同比下降15.21%。

  区域分布方面，从全球DRAM芯片市场销售区域格局来看，美国和中国是DRAM芯片的主要消费市场，市场占有率合计在70%以上。2022年，中国购买了全球30%的DRAM芯片，排名全球第二，仅次于美国的33%。

  市场前景方面，根据Yole数据，2022年全球DRAM实现销售额797亿美元;2016-2022年市场年均复合增长率为11.8%。据此，前瞻保守估计未来5年DRAM市场规模将以12%左右的增长率增长，到2028年市场规模将达到1438亿美元左右。

  更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国存储芯片行业市场需求与投资前景预测》。

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