福建晉華風暴后的救命丹是新式存儲技術？五大「晶元之城」紛紛招手

　　2018-11-30 15:37開發/技術/PC

　　經歷福建晉華風暴，國內積極發展的自主存儲技術之路遇到重大絆腳石，因此，MRAM 、 ReRAM 、 PCM 等新式存儲技術再度被拱上檯面，日前一座授權自 IBM 的 MRAM 技術 12 寸廠，先後有合肥、上海、深圳、南京、天津等五大城市「招手」，儼然成為各大城市打造「晶元之城」的熱門項目，然而，新存儲技術難度十分高，這會是國內晶元產業是救命丹？還是另一個巨額賭注？

　　近年來 IBM 成為國內多個新式存儲項目的技術母廠，原本合肥已經搶到授權自 IBM 的 MRAM 技術 12 吋廠項目，與現有的 DRAM 項目合肥長鑫、晶圓代工項目合肥晶合形成半導體產業鐵三角，讓合肥打造「晶元之城」的野心畢露，該新公司更取名為 HeFei Memory（ HMC ）。但意外的是，最後殺出上海、深圳、南京、天津等大城市也急欲搶奪這個 MRAM 項目， HMC 項目換了落腳地后，新公司的名稱可能要跟著「改姓」！

　　眼前，主流的兩大存儲技術 DRAM 和 NAND Flash 已經被國際大廠牢牢掌握在手上，尤其 DRAM 技術是美光（Micron）、三星電子（Samsung Electronics）、SK 海力士（SK Hynix）三巨頭寡佔，因此福建晉華髮展 DRAM 自有技術的火苗才剛剛有一點成果，這三大巨頭都亟欲「捻熄」，深怕這利潤豐厚的封閉市場被「第四者」入侵！

　　

　　（來源：麻省理工科技評論）

　　NAND Flash 產業的供應商比較多，除了上述的三家外，還有英特爾（Intel）、東芝（Toshiba）、西部數據（WD）、 SanDisk 等，但 NAND Flash 技術也都是國際大廠急欲保護的稀世珍寶，國內的長江存儲自主 NAND Flash 技術已經研發成功，在研發初期即非常重視知識產權的議題，因此得以避開國際大刀。

　　主流存儲之路荊棘滿布，MRAM 、 ReRAM 、 PCM 等新存儲技術抬頭

　　面對國際大廠以「嗜血」般的態度緊盯著國內主流存儲技術的發展，另一股勢力：新式存儲技術再度被提起，包括 MRAM 、 ReRAM 、 PCM 等。

　　國內新式存儲技術已經形成不少陣營，像是上海磁宇，以及海康威視旗下的海康馳拓都致力於 MRAM 技術開發。上海磁宇投入 40nm 的高密度垂直結構磁性隨機存儲器 pSTT-MRAM 技術，其團隊來自於 MRAM 技術大本營 Everspin 和 TDK，且同時投入獨立式（standalone）和嵌入式（embedded）兩種技術和市場策略。

　　上海磁宇董事長武平是展訊的創始人 ，而中國科學院上海微系統與信息技術研究所所長王曦也是上海磁宇的董事之一。

　　另一家海康馳拓是中電海康旗下從事 MRAM 新存儲的企業。海康馳拓的前身是中電海康研究院磁旋存儲事業部，2015 年 12 月該事業部正式註冊成立為浙江海康馳拓，成為中電海康集團旗下獨立子公司。

　　

　　（來源：中電海康官網）

　　海康馳拓專註 MRAM 存儲技術發展，團隊來自高通（Qualcomm）、西部數據等眾多半導體國際大廠，目前基於晶元設計和工藝設計兩塊投入研發，並於 2017 年初投入 13 億元啟動研發基地。

　　由於 MRAM 技術特性，前段工藝需要與邏輯技術的半導體廠合作，行業內人士透露，海康馳拓原本計劃前段工藝技術是和中芯國際合作，但後來該商業模式有變化。

　　在關鍵的 MRAM 研發機台上，海康馳拓是與半導體設備龍頭應用材料（Applied Materials）合作，應材對於新式存儲技術研發的投入十分積極，提供針對 STT-MRAM 技術的不同設備給客戶選擇採用。

　　新式存儲技術陣營開始綻放，成為「晶元之城」的新標的

　　值得注意的是，除了上海磁宇、海康馳拓之外，還有一家授權自 IBM 的 MRAM 技術團隊，也積極在國內打造一座專門生產 MRAM 技術的 12 寸晶圓廠，先後有不少城市「招手」，包括合肥、上海、深圳、南京、天津等。

　　行業內人士透露，該座 MRAM 新廠初期是計劃落戶在合肥晶圓代工廠晶合的第二期工程廠內，後來上海、深圳等一線城市紛紛招手，該團隊也轉到這些地方評估，最後連南京這座擁有台積電、紫光集團兩大重量級半導體廠的城市，也加入爭取 MRAM 落戶的行列。

　　近期最新訊息指出，天津也積極向這個來自 IBM 技術的 MRAM 存儲項目招手。以此來看，各地方政府追逐投資半導體已然成為一股熱潮，只為爭奪新一代「晶元之城」的稱號，而在此當中，新式存儲技術儼然成為最新標的。

　　另一個新式存儲候選人是相變化記憶體（PCM）技術，這個曾經被業界視為非常難實踐，甚至一度傳出幾乎被放棄的技術，近年來又火紅起來，歸功於英特爾 ( Intel ) 和美光 ( Micron ) 於 2015 年推出的 3D XPoint 新型態存儲技術，被視為是 PCM 技術的一種。

　　英特爾與美光的 3D XPoint 技術燃起希望，PCM 技術死灰復燃

　　不但是技術開發，英特爾、美光也將該技術導入商用化。英特爾採用 3D XPoint 技術打造 Optane 品牌，與微軟、 IBM 合作將該技術導入伺服器等產品線，同時也導入 SSD 進入消費市場。

　　美光的 3D XPoint 技術則是成立另一個品牌，名為 QuantX，但該產品線的進度一直在推遲。再者，英特爾、美光已經宣布在 NAND Flash 技術等合作上分道揚鑣，其 3D XPoint 技術後續的發展也令人關切。

　　

　　（來源：麻省理工科技評論）

　　然提到 PCM 技術必須一提的是，國內也有一家從事 PCM 技術研發和生產的企業：江蘇時代芯存半導體。時代芯存成立於 2016 年，技術來源也是 IBM 的 PCM 技術，該項目總投資 130 億元，規劃年產能 10 萬片，第一期投資 43 億元，該廠房也在去年底封頂。

　　從上海磁宇、海康馳拓、江蘇時代芯存，以及另一支授權自 IBM 的 MRAM 技術團隊積極尋找崛起點，甚至還有數個還未浮上檯面的新項目可以看出，積極投入 MRAM 、 PCM 這類的存儲技術已成為新一代「中國芯」的希望！

　　新式存儲技術較少知識產權包袱，但技術、商用化門檻十分高

　　新式存儲技術十分迷人，因為隨著摩爾定律放緩，人們不斷尋求 DRAM 和 NAND Flash 的替代品。再者，這塊領域不像主流的存儲技術，處處都被國際大廠的知識產權鉗制，新進者發展起來比較沒有包袱。

　　然而，無論是 MRAM、 PCM，或是 ReRAM 等技術，難度門檻非常高，而商用化會是另一道門檻。

　　很多國際大廠雖然有這些技術，卻沒有導入商用化，而是把技術賣給其他公司，這是為什麼？因為他們很清楚這些技術要商用化，是一條更難的道路，因此不自己生產，而是選擇「賣技術」讓別人生產。由此可知，要非常小心新式存儲技術的兩面刃：救命丹與錢坑。

　　誰是 DRAM 、 NAND Flash 接班人？該問題爭論數十年

　　我們日常生活中，無論是計算機、手機等都被主流的 DRAM 和 NAND Flash 技術和產品圍繞，新式存儲技術看似是一個全然陌生的領域，但因為 DRAM 、 NAND Flash 技術都在逼近摩爾定律的盡頭，因此需要新的技術和材料來刺激產業往前，新式存儲技術因此成為焦點。

　　在談論新式存儲技術前，先簡單複習一下，非揮發性存儲技術（Non-Volatile Memory）和揮發性存儲技術（Volatile Memory）的差異。

　　我們最常聽到的 DRAM 就是屬於揮發性存儲技術的代表，意思是當電流中斷，存儲的資料便會消失，其他如 RAM、 SRAM 等也都是揮發性存儲技術。

　　相反地，非揮發性存儲技術是指當電流關掉，所儲存的資料並不會消失，這類的存儲技術包括 NAND Flash 、 EEPROM 、 ROM 等，以及多數的新式存儲技術包括磁阻式隨機存取記憶體 MRAM 、可變電阻式隨機存取記憶體（ReRAM）、相變化隨機存取記憶體（PCM）、鐵電隨機存取記憶體（FRAM）等都是屬於非揮發性存儲陣營。

　　

　　（來源：IEEE學生簡報）

　　新式存儲技術其實經歷了超過十年的技術較勁，近年來，MRAM 技術算是最被看好的一支。

　　MRAM 技術的基本結構是由上、下兩層的鐵磁性板形成，稱為「磁性隧道結」，一層是磁自旋方向固定的釘扎層，另一個是自由層，其鐵磁性板的自旋方向會隨著在外加應力而改變，如果自由層的自旋方向和釘扎層的自旋方向一致，則隧道層處在低電阻的狀態，反之則是高電阻狀態，MRAM 的原理就是利用這種「磁性隧道結」的電阻變化來達到儲存目的。

　　各種新式存儲技術相爭多年，MRAM 會在這一波潮流中突圍，因為其優點是存取速度接近 SRAM，且具備 NAND Flash 的非揮發性特性，其容量密度也不輸給 DRAM，而平均能耗遠低於 DRAM。不過，MRAM 的磁性隧道結的結構理論上看似簡單，但涉及非常多的物理學知識，研發難度非常高，即使研發成功，要導入商用化也是另一個挑戰。

　　MRAM 技術可分為傳統的 MRAM 和 STT-MRAM 兩大類，前者採用磁場驅動，後者採用自旋極化電流驅動。

　　另一項新型的非揮發性存儲技術是 PCM，也稱為 PRAM（Phase-change RAM），也就是上述英特爾、美光、時代芯存所投入的技術。

　　PCM 技術類似於三明治的結構，通過熱能的轉變，讓相變材料在導電的低電阻結晶與非導電的高電阻非結晶之間轉換，而中間是用與光碟材料相似的 GST 作為相變層，利用這個高低阻態的變化來存儲不同的數值。

　　PCM 的優點是讀寫速度快、耐用、非揮發性等，讀取速度大幅快於快閃記憶體，而 PCM 寫入次數也遠高於快閃記憶體。

　　過去 PCM 受限於成本過高和儲存有限，一個儲存單位（cell）僅能存 1 個 bit，難以應用於電腦和行動裝置上，僅被用在藍光光碟，後來 IBM 研發出的 PCM 技術是每儲存單位可存 3 個 bit，且不受周圍溫度影響，大幅度提升 PCM 實際應用於商業的可能。

　　ReRAM 也有不少支持者，與 PCM 的原理結構有相似之處，是由上下兩層金屬電極和中間一層過渡金屬氧化物組成，利用過渡金屬氧化物的阻值，會隨著所加偏壓改變而產生不同的阻值，若雙極性（bipolar）的材料，施加一個方向的電壓可由高電阻轉變成低電阻，施加反方向的電壓則可以由低電阻轉變成高電阻，而電阻值能夠在高低之間穩定地轉換，作為儲存數位資訊的媒介。優點是操作電壓低、存儲的資料單位面積小、寫入速度比 NAND Flash 快。

　　新式存儲技術的迷人之處是有著取代 DRAM 和 NAND Flash 兩大主流技術的美夢。然從另一個角度觀察，新式存儲技術也是半導體產業中，舊權威（三星、 SK 海力士、美光、英特爾、東芝等）和新勢力之間的角力競賽。

　　

這些掌控舊有勢力的大廠，雖也早早投入新存儲技術的開發，但這塊比較不像 DRAM 和 NAND Flash 的專利、知識產權都被國際大廠束縛住，但不得不注意的是，無論 是 MRAM 、 PCM 、 ReRAM 等，技術難度都非常高，這是非常現實的議題。

　　福建晉華的風暴越滾越大，讓國內擔心晶元自主開發一路，恐遇到空前阻礙，因此新式存儲技術之路再度被提起，在這塊領域上，國內業者多數是與國際大廠作技術授權，走出一條合法合規的道路。

　　然而，很多國際大廠雖然有這些技術，卻選擇把技術賣給其他公司去進行商用化，而非自己導入商用化，因為他們很清楚這些技術要達到商用化，甚至是盈利的目標，是一條更難的道路。

　　新式存儲技術對於國內晶元產業究竟是新的救命丹？還是另一個錢坑？現在很難斷定，走上這條路雖然可以避開主流存儲技術上，國際大廠的知識產權權阻礙，但必須非常小心判斷，否則，這隻會成為國內晶元產業的另一個可怕的「錢坑」。

　　-End-