昕原半导体张翔:业界首款28nm制程ReRAM芯片流片成功

从1920年末IBM发明出一种 “高密度存储设备”的80列打孔卡,到1980年闪存存储器的问世,短短60年的时间,存储器就已经历经了多种形式的迭代。

伴随近年智能手机、云服务等市场对存储器的强劲需求,存储器市场在2017年迎来爆发,成为IC最大细分领域,目前已形成了一个主要由DRAM与NAND Flash以及NOR Flash组成的超过1600亿美元的市场。

但现阶段存储器在发展过程中,也逐渐面临一些无法逾越的技术鸿沟,比如传统存储介质与内存介质在速度、功耗和密度的巨大差距;另外其共性问题还在于都面临着制程持续微缩的物理极限。能够突破性能与技术瓶颈的第四代存储器(又称“新型存储器”)逐渐受到市场的关注。

在此背景下,一家专注于ReRAM领域的新型半导体存储技术公司昕原半导体(上海)有限公司(下称“盺原半导体”),在上海成立,并发展迅速。这是一家集核心技术、工艺制程、芯片设计、IP授权和生产服务于一体的新型IDM公司。公司由张可博士和张翔先生联合创立。在公司成立的第二年,即获得由上海联合投资,联新资本、联升创投、昆桥资本组成的战略融资。公司历史股东还包括KPCB、北极光创投、赛富亚洲、宽带资本、元禾谷风等知名基金。

昕原半导体联合创始人兼CEO张翔向《科创板日报》记者透露,公司去年研发的一颗基于ReRAM存储技术的芯片目前已在回片阶段,今年下半年将可以出货,该款芯片主要是利用了公司新型存储ReRAM的安全特性和存储特性,主要应用于防伪认证,也应用于移动设备的各种配件、家电、电子烟等AIoT的广大市场,目前已与行业内头部厂商达成合作意向。

第4代存储器已经经过10年的发展,张翔认为,未来5年将会进入爆发期,存储器的市场格局将发生改变。

特点鲜明的新型存储器

存储芯片根据断电后存储的信息是否留存分为易失性存储芯片:DRAM/SRAM与非易失性存储芯片: NAND Flash/ NOR Flash。其中DRAM和NAND Flash两类占存储市场的95%以上。

DRAM的技术发展路径主要以提升制程来提高存储密度,虽然微处理器的工艺已经到了5nm节点,但DRAM仍然停留在20nm和10nm节点之间,目前不论是美光、海力士还是三星电子,其DRAM产品的最高制程为1znm(约12-14nm),而理论上,10nm是DRAM的极限。

与之相比,NAND Flash广泛应用于SSD存储单元,销售额占存储芯片比重约42%,仅次于DRAM,其特点是具有较高的密度,但是读写速度不及DRAM。而对于近年因5G、电动车、TWS等应用而拉动需求增长的NOR Flash而言,其不仅写性能较慢,且无法做到较高的密度。

由于DRAM和NAND Flash以及NOR Flash本身物理特性的限制,单纯依靠改良现有的存储器很难突破性能与密度的瓶颈,而新型存储器提供了解决路径。

“大体而言,新型存储器具有两大特点,以应用场景数据中心为例,首先,新型存储器在数据中心的应用,其读写速度与DRAM一样快同时提供更高的存储密度,第二所有的新型存储器都是掉电后数据还保存(非易失性),新型存储器应用后,一个数据中心性能会大幅提升,而能耗上会降低30%左右”,张翔向《科创板日报》记者描述。

基于新型存储器的性能优势,张翔认为,从自身的性能、耗电量等角度考虑,未来只要做数据中心,肯定会选择这条(新型存储器)发展道路做为现行存储配置的补充,“目前已经有很多公司找到我们表达出对新型存储器的需求”。

未来行业格局或将改写

除了在数据中心应用外,新型存储器在云端、在IOT侧、车规、AI领域等方向亦有很多的应用。

其中在AI领域,传统冯·诺伊曼体系结构中,数据从处理单元外的存储器提取,处理完之后在写回存储器。而现有AI芯片由于运算部件和存储部件存在速度差异,当运算能力达到一定程度,由于访问存储器的速度无法跟上运算部件消耗数据的速度,再增加运算部件也无法得到充分利用,即形成所谓的冯·诺伊曼“瓶颈”,即“内存墙”问题。

而存内计算则可以解决上述问题,其把计算嵌入到内存里面去,这样内存就不仅仅是一个存储器,同时还完成了计算任务。存算一体大大减少了计算过程中的数据存取的耗费,“实际上存内计算要解决的最重要的事情就是性能和耗电,也就是能耗比”,张翔讲到。

对于存内计算而言,存储器的特性往往决定了存内计算的效率,因此当带有新特性的存储器出现时,往往会带动存内计算的发展。通过存储与计算融合,减少数据的中间搬移,从而提升整个AI芯片的能效,打破存储墙问题。

记者了解到,昕原半导体主要聚焦于新型存储行业中的ReRAM(阻变存储器)赛道,目前,昕原在会提供三类存储产品:低密度存储产品,中密度存储产品,高密度存储产品。公司业务则主要面向四大领域:数据中心、存储颗粒、AI存内计算以及IoT芯片安全领域。

张翔透露,昕原半导体已完成业界首款28nm制程ReRAM芯片流片成功,即将于今年下半年量产,该芯片将应用IoT芯片安全领域,包括电子烟、电池、快充等需要身份认证芯片的产业;对于存内计算领域则会采取IP授权的方式;而在存储颗粒市场则面对与部分传统存储器的直接竞争。

张翔表示,公司的低、中密度存储产品会与代工厂合作生产,或者自产,其中中密度存储产品相比NOR Flash,在性能、密度、成本上均有优势;而高密度存储产品,在性能、成本、密度上与SLC NAND产品相比占优。这也意味着,随着新型存储器产品的逐渐成熟,存储器行业的现有格局将在未来被改写。

拥有世界上首个RERAM量产线

值得注意的是,新型存储器除了ReRAM种类外,还包括相变存储器(PCM)、磁变存储器(MRAM)、铁电存储器(FRAM),与前述新型存储器品种相比,RERAM的优势体现在何处?

张翔介绍,ReRAM读写速度优于传统存储器,但要慢于MRAM和FRAM,同时ReRAM的读写次数约在100万次左右,较传统存储器有数量级的增加,但少于MRAM的读写次数,“ReRAM的优点则非常明显,首先在密度方面,ReRAM的密度可以做到很高”。

其实,据了解,从成本方面看,MRAM由于材料的复杂性、密度瓶颈等特性,其成本会较高。而PCRAM的特点则在于密度可以做到与RERAM相同水平,但PCRAM读的速度会逊于ReRAM,同时其与RERAM最大的区别在于,由于工艺制程较为复杂,因此PCRAM的良率有待提升。

有行业人士透露,昕原半导体与代工厂合作开发的ReRAM的良率已经达到70%,未来良率将接近90%。

另外,FRAM则与MRAM的性能较为类似,但其读写速度要优于MRAM,且可以保持较低的功耗,FRAM的劣势则在于,其成本比MRAM还要高,“所以它可以应用于一些非常特殊的市场,比如助听器市场”。

张翔认为,总体来看,与其他新型存储器相比,密度和相应的成本将会是ReRAM的最大优势。

《科创板日报》记者了解到,在ReRAM的赛道上,昕原半导体拥有10年的技术积累和经验。公司与全球头部的FAB有多年的工艺制程开发合作,并且是第一个做到28nm商用量产的公司。

此外,昕原半导体采取的是新型IDM的模式,公司是世界上首个拥有ReRAM后道量产线的新型存储创业公司。

事实上,在当下全球芯片紧缺的大背景下,采取IDM模式的芯片厂商正凸显其优势。对于昕原半导体而言,由于拥有自主后道量产线,在生产规模上,即避免了对FAB的完全依赖,同时又可以契合FAB已有的工艺产线,可以做到快速匹配生产;同时公司也极大缩短了产品开发和迭代的周期;而在投资规模上,由于仅进行后道工艺的生产,投资规模整体可控,并可分阶段地提升产能,“目前公司跟一个代工厂合作的产能,在最低设备情况下,能达到2000片/月,在IDM工厂建成后,公司产能将达到30000片/月”。张翔讲到。

张翔表示,新型存储器未来的应用领域会非常的广泛,“在未来可预见的市场中,存储器产品将是公司收入最高的一项业务,另外公司的AI业务将会增长的非常快,昕原希望在未来做到中国最好、最强的新型存储器公司”。


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