《創(chuàng)新者的窘境》一書中指出，成熟企業(yè)總是能在一輪又一輪的延續(xù)性技術(shù)浪潮中保持領(lǐng)先，但往往在面臨更為簡單的破壞性創(chuàng)新技術(shù)時遭遇失敗。在面對破壞性創(chuàng)新時，先進入市場的企業(yè)可以建立起巨大的先發(fā)優(yōu)勢，這就是創(chuàng)新者的窘境。現(xiàn)在，DRAM市場的破壞性創(chuàng)新來了。近日，DRAM IP提供商Kilopass公司宣布推出垂直分層晶閘管(VLT)技術(shù)，宣稱有望顛覆目前的DRAM產(chǎn)業(yè)格局。
DRAM需求轉(zhuǎn)向云計算/服務(wù)器 面臨制程升級及功耗難題
來看看目前的DRAM市場吧。2015年全球DRAM市場為450億美元，在總產(chǎn)值為3500億美元的全球IC市場中的重要性不言自明。
從市場需求來看，PC、手機等需求趨緩，新的增長點將出現(xiàn)在云計算/服務(wù)器等市場領(lǐng)域。分析顯示，今年DDR4 DRAM預(yù)估在整個服務(wù)器市場份額的比重將躥升至八成。
在制程方面，三強中三星、SK海力士、美光均已導(dǎo)入20nm制程，且三星業(yè)已成功導(dǎo)入18nm制程。但有分析顯示，DRAM制程自2010年以來已放緩了步伐，因為DRAM是靠電容電位來記錄其邏輯值的，而摩爾定律不包括電容，因而2017年SoC將在7nm工藝實現(xiàn)，3D NAND將實現(xiàn)64/96層堆疊，而DARM將停滯于1xnm工藝。
這就帶來了“阿琉克斯之踵”。Kilopass首席執(zhí)行官Charlie Cheng指出，一是傳統(tǒng)DRAM采用的存儲單元結(jié)構(gòu)是1個晶體管搭配一個電容器(1T1C)。受制于電容的尺寸和容量，DRAM的尺寸縮小再往下走非常困難。二是DRAM新的增長點將集中在云計算/服務(wù)器等領(lǐng)域，對DRAM有更嚴苛的功耗要求，傳統(tǒng)的DRAM難以成全。
Charlie Cheng解釋說，因電容無可避免地有漏電現(xiàn)象而使電位下降，需要周期性地對高電位電容進行充電而保持其穩(wěn)定。而工藝提升使得較小的晶體管帶來更多的漏電流，且較小的電容擁有更少的電容量，這將導(dǎo)致兩次刷新之間的間隔時間必須縮短。由于刷新周期頻率的加快，16Gb的DDR DRAM中高達20%的原始帶寬將丟失，這使CPU必須分擔一部分性能來保持系統(tǒng)競爭力。這對于常年處于80度以上高溫環(huán)境的服務(wù)器來說，是極大的負累。因而，DRAM市場迫切需要新的變革。
VLT技術(shù)存多重優(yōu)勢 現(xiàn)可支持20nm節(jié)點量產(chǎn)
為解決這一難題，業(yè)界也多方求索，如3D XPoint、磁變存儲器(MRAM)、阻變存儲器(RRAM)和相變存儲器(PCM)等，目標是實現(xiàn)具備低延遲與高使用壽命水平，又能夠?qū)崿F(xiàn)可擴展存儲單元的新型方案，但究竟誰能勝出尚未定論。
而Kilopass另辟蹊徑，開發(fā)了獨特的VLT技術(shù)。之前Kilopass自主研發(fā)的嵌入式一次性可編程(OTP)技術(shù)，與ROM、Fuse、eFlash等或不安全、或存儲單元太大、或可擴展性不強等相比優(yōu)勢顯著，在全球DRAM市場中已占據(jù)60%的份額。Charlie Cheng介紹說，VLT技術(shù)是通過垂直方式實現(xiàn)晶閘管架構(gòu)來形成鎖存，不需要傳統(tǒng)DRAM所需電容。因此，不再需要刷新，也不存在漏電，性能利用率可以達到100%。
“與目前最主流的DRAM技術(shù)相比，VLT技術(shù)與現(xiàn)有的DDR標準兼容，具有更小的存儲單元、更高效的結(jié)構(gòu)、更少的加工步驟，可將尺寸縮小近30%，待機功耗降低10倍，性能提高15%，晶圓光照加工步驟減少三成，與目前主流20nm DRAM相比制造成本降低45%。最為關(guān)鍵的是，VLT避開了傳統(tǒng)DRAM制造中最大的挑戰(zhàn)，即溝道電容的制造，從而規(guī)避了相關(guān)的專利沖突，這一點具有很重要的戰(zhàn)略意義。”
在記者提及的量產(chǎn)工藝驗證方面，他表示，VLT采用的工藝技術(shù)與邏輯CMOS的工藝兼容，也不需要采用新的材料，客戶原有的生產(chǎn)線并不需要進行太多的更改就可生產(chǎn)基于VLT技術(shù)的DRAM，還可以利用模擬器軟件調(diào)整技術(shù)和良率。
據(jù)悉，VLT存儲單元的器件測試已于去年完成，完整的內(nèi)存測試芯片于5月份成功流片。現(xiàn)Kilopass已可提供支持20nm 到30nm節(jié)點的VLT DRAM技術(shù)，而新一代10nm技術(shù)的驗證有望在明年完成。
發(fā)展存儲器已成IC重要戰(zhàn)略 VLT能否成第二選擇?
之所以如此詳盡地介紹VLT新技術(shù)，眾所周知的原因是存儲器是IC產(chǎn)業(yè)的基石之一，發(fā)展存儲器產(chǎn)業(yè)已成為中國IC業(yè)的重要戰(zhàn)略。中國高端芯片聯(lián)盟理事長、國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金股份有限公司總裁丁文武曾指出，IC是我國進口最大宗產(chǎn)品，存儲器則是中國進口IC最大宗的產(chǎn)品，比例已超四分之一。存儲器將廣泛應(yīng)用于云計算、物聯(lián)網(wǎng)、消費電子產(chǎn)品中，可謂明星產(chǎn)業(yè)，未來將以10%的復(fù)合增長率持續(xù)增長。巨大的市場需求，是存儲器的發(fā)展動力；而信息安全和產(chǎn)業(yè)安全則是實施存儲器的戰(zhàn)略需要，否則在未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點中將永遠依賴于人、受制于人。
近年來國內(nèi)企業(yè)也紛紛加大投入布局存儲產(chǎn)業(yè)，長江存儲投資240億美元打造國內(nèi)集成電路存儲器產(chǎn)業(yè)基地，主攻3D NAND和DRAM，預(yù)計2020年實現(xiàn)月產(chǎn)能30萬片（其中3D-NAND 20萬片，DRAM 10萬片）。福建晉華存儲器IC生產(chǎn)線項目作為國家重點支持的DRAM存儲器生產(chǎn)項目，一期投資額達370億元。
然則，DRAM市場“知易行難”。與NAND閃存較為混亂的市場態(tài)勢相較，DRAM市場三星、海力士和美光三強鼎立的狀態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，三家企業(yè)共同占有超過90%的市場份額。此外，現(xiàn)有DRAM的最關(guān)鍵技術(shù)是電容存儲單元，它不僅帶來了特有的制造挑戰(zhàn)，還被DRAM存儲器三大巨頭的專利所保護，中國大陸欲進軍DRAM產(chǎn)業(yè)的困難不可小視。
“為了進入DRAM市場，后發(fā)的中國廠商需繞開技術(shù)授權(quán)限制，必須利用創(chuàng)新的替代方案，以爭取實現(xiàn)差異化，推動競爭升級，VLT技術(shù)雖無法替代現(xiàn)有的DRAM技術(shù)，但可成為中國發(fā)展DRAM的第二條路徑。” Charlie Cheng強調(diào)說，“VLT技術(shù)所需的投資額度不大，且已在20nm至31 nm工藝通過驗證，是一條可行的自主性發(fā)展的技術(shù)道路。加上需要支付kilopass的授權(quán)費用和驗證費用，大約投入100萬美元就可以實現(xiàn)投產(chǎn)。”
Charlie Cheng透露，Kilopass會在全球各國中選擇3~4家企業(yè)做授權(quán)，目前已有跟武漢等方做深入接洽。
未來是場硬仗 存儲器之路何去何從？
雖然VLT如此光環(huán)加身，但DRAM陣營亦不會坐視不理。
DRAM 標準從非同步的 DIP、EDO DRAM、同步的 SDRM、進展到上下緣皆可觸發(fā)的 DDR DRAM。雖然 DRAM未來在速度與耗電量的改進空間不大，但產(chǎn)業(yè)界早已積極開發(fā)類似的內(nèi)存架構(gòu)，如MRAM 、RRAM等，DDR4 會不會是末代 DRAM 標準，誰也無法預(yù)測。
半導(dǎo)體知名專家莫大康亦分析說，Kilopass公司提出的VLT技術(shù)制造DRAM是條好的思路，可以嘗試，但未來能否實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)可能尚不好言。因為全球DRAM業(yè)為了尋找替代品已經(jīng)奮斗多年，尚沒有定論。
對國內(nèi)來說，3D閃存雖是“板上釘釘”要加快發(fā)展，但在DRAM層面不是“華山一條路”。在中國存儲器產(chǎn)業(yè)急需尋求突破的重要歷史階段，尋找一種最具有競爭力和發(fā)展?jié)摿Φ腄RAM，緊迫且意義重大，這也注定是場艱難的硬仗。
莫大康表示，國外巨頭可能是先打IP戰(zhàn)，控制技術(shù)與人才流失，最后一招是打價格戰(zhàn)，讓國內(nèi)企業(yè)在資金方面無法承受。“因而，國內(nèi)現(xiàn)階段存儲器自行研發(fā)一定要加緊突破，而且一定要把研發(fā)與量產(chǎn)結(jié)合在一起，改變之前兩者脫節(jié)的弊病。同時要充分利用好設(shè)備制造商，它們手中握有許多關(guān)鍵工藝技術(shù)，在提供設(shè)備的同時與存儲器廠商分享。”莫大康強調(diào)，“無論是3D NAND 閃存或是DRAM，中國首要解決的是從無到有的問題，相信這是完全可能的。然而由于采用技術(shù)的不同，以及制造成本方面的顯著差異，未來的痛點是如何在面臨巨額虧損下不動搖、不氣餒，只有堅持下去才有成功的希望。”