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DRAM制程失速,全球存储市场在竞争什么?
2023-02-16 来源:全球半导体观察&半导体行业观察
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关键词: 半导体 DRAM 芯片 SK海力士

近期由于半导体实况低迷,DRAM价格一路走低,像三星和SK海力士这样的内存芯片大厂苦不堪言,后者2022年第四季度的财务报表显示,甚至时隔十年再次出现单个季度亏损。


不过最近ChatGPT在全球范围内掀起了一股热潮,这款人工智能工具在推出后,受到了不少人的关注。英伟达创始人兼CEO黄仁勋先生在近期的演讲中表示,ChatGPT是人工智能领域的iPhone时刻,也是计算领域有史以来最伟大的技术之一。

事实上,ChatGPT的出现似乎给存储器制造商带来了转机。据Business Korea报道,今年年初以来,三星和SK海力士的HBM订单量激增,价格也水涨船高,给低迷的DRAM市场注入了一丝活力。




DRAM缩放速度放缓

对DRAM芯片来说,随着晶体管尺寸越来越小,芯片上集成的晶体管就越多,也就代表一片芯片能实现更高的内存容量。

从DRAM三巨头工艺尺寸的发展历程来看,三星、SK海力士、美光在2016-2017年进入1X(16nm-19nm)阶段,2018-2019年为1Y(14nm-16nm),2020年处于1Z(12nm-14nm)时代。后续,行业厂商朝着1α、1β、1γ等技术阶段继续迈进。

目前,各大厂家继续向10nm逼近,目前最新的1α节点仍处于10+nm阶段。

2022年10月,三星在Samsung Foundry Forum 2022活动上公布DRAM技术路线图,预计2023年进入1β工艺阶段,即第五代10nm级别DRAM产品。同年12月,三星开发出首款采用12nm级工艺技术打造的16Gb DDR5 DRAM。

2022年11月,美光将1β DRAM产品送往客户的产品验证流水线,率先进入了1β节点,这意味着将DRAM芯片的晶体管工艺又向精密处推进一步,来到了10纳米级别的第五代。且正在对下一代1γ工艺进行初步的研发设计。

DRAM工艺制程演进至10+nm,继续向10nm逼近。

近日,TechInsights高级技术研究员Jeongdong Choe博士在一场内存网络研讨会中表示,DRAM单元缩小到10nm的设计规则 (D/R) 一直在进行中。主要的DRAM厂商一直在开发下一代,这意味着DRAM单元D/R可能会进一步缩小到个位数纳米时代。

然而,从DDR1到DDR5的演变来看,DDR的能耗越来越低,传输速度越来越快、存储容量也越来越大;而从制程工艺的进展来看,早前产品的更新时间大致在3到5年更新一代。在步入20nm以内的制程后,DRAM在制程上的突破进展呈现放缓趋势。

尤其是随着10nm制程的临近,使其在晶圆上定义电路图案已经接近基本物理定律的极限。由于工艺完整性、成本、单元泄漏、电容、刷新管理和传感裕度等方面的挑战,DRAM存储单元的缩放正在放缓。

此外,从当前技术看,6F² DRAM单元是存储行业的设计主流,cell由1T+1C(1晶体管+1电容)构成——这种DRAM单元结构将在未来几代产品上延续。但如果存储厂商保持6F2 DRAM单元设计以及1T+1C结构,2027年或2028年10nm D/R将是DRAM的最后一个节点。




先进制程竞赛持续

DRAM是半导体存储器的大宗产品之一,经过几十年的大浪淘沙,英特尔、东芝、松下、德州仪器、IBM、Motorola等曾经的强者退出DRAM江湖,如今DRAM市场形成了三足鼎立的格局,主要由三星、SK海力士、美光三大巨头所领导。

据TrendForce集邦咨询2022年11月16日研究显示,截止2022年第三季度,在DRAM市场中,三星份额为40.7%,仍占据全球第一,SK海力士为28.8%,排位第二,美光为26.4%,居第三。

在DRAM先进制程竞赛道上,存储大厂为抢占技术先机,也是一刻也不停缓。

美光方面,2022年11月初,美光已经将1β DRAM(第五代10nm级别DRAM)产品送往了客户的产品验证流水线,这也意味着10纳米级别的芯片工艺已经来到了第五代。相较于1α(alpha),1β(beta)在16G bit的容量下,能效提高约15%、内存密度提升35%以上。

同年11月中旬,美光尖端存储器1β DRAM在日本广岛量产。美光日本广岛工厂一直致力于尖端技术产品DRAM的生产,目前,该厂投产制程主要为1Z纳米(占比50%以上)和1Y纳米(占比约35%)。

美光DRAM制程已经实现了1Xnm、1Ynm、1Znm、1α四个节点,并率先进入了1β节点。据悉,美光正在对下一代1γ(gamma)工艺进行初步的研发设计。

三星方面,2022年10月,三星在Samsung Foundry Forum 2022活动上公布DRAM技术路线图。根据路线图,三星预计,2023年进入1b nm工艺阶段,即第五代10nm级别DRAM产品,芯片容量将达到 24Gb(3GB)- 32Gb(4GB),原生速度将在6.4-7.2Gbp之间。

同年12月,三星开发出首款采用12nm级工艺技术打造的16Gb DDR5 DRAM,并与AMD一起完成了兼容性方面的产品评估。

自此来看,业界表示,10纳米级别的DRAM制程经过了依次为1X(16nm-19nm)、1Y((14nm-16nm))、1Z(12nm-14nm)、1α(约13nm),目前来到1β(10-12nm)、1γ(约10nm,1β的增强版)的节点。

对DRAM芯片来说,随着晶体管尺寸越来越小,芯片上集中的晶体管就越多,也就是说一片芯片能实现更高的内存容量。

而从产品价格上看,去年以来,DRAM价格持续下跌。据TrendForce集邦咨询1月9日研究指出,由于消费需求疲弱,存储器卖方库存压力持续,仅三星(Samsung)在竞价策略下库存略降。为避免DRAM产品再大幅跌价,诸如美光(Micron)等多家供应商已开始积极减产,预估2023年第一季DRAM价格跌幅可因此收敛至13~18%,但仍不见下行周期的终点。


写在最后

面对DRAM市场的萧条,行业厂商唯有持续研发推出1β、1γ...或更先进制程的DRAM产品,以创新技术在逆境中站稳脚跟。

除了上述提到的High-k介电材料、HKMG、柱状电容器、EUV技术及3D DRAM之外,研究者们也开始在铁电材料电容器、无电容DRAM等方面下功夫,试图借此解决DRAM芯片当前的难题。

总体而言,无论是哪种方法均遵循着两种路径,要么是在先进制程上下功夫,要么是在先进封装上苦心钻研。两条路径相辅相成,缺一不可。



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