DRAM制造商正在進入下一階段的擴展，但是隨著存儲技術接近其物理極限，他們面臨著一些挑戰(zhàn)。

DRAM用于系統(tǒng)中的主存儲器，當今最先進的設備基于大約18nm至15nm的工藝。DRAM的物理極限約為10nm。研發(fā)部門正在努力擴展該技術，并最終將其替換為新的存儲器類型。

但是，到目前為止，還沒有直接的替代方法。并且，在采用新解決方案之前，供應商將繼續(xù)擴展DRAM并提高性能，盡管在當前1xnm節(jié)點體制下將逐步增加。并且在未來的節(jié)點上，部分但不是全部DRAM制造商將實現(xiàn)從傳統(tǒng)光刻到超紫外（EUV）光刻的重大轉變，以在Fab中生產(chǎn)。

無論有無EUV，DRAM供應商都面臨更高的成本和其他挑戰(zhàn)。但是，DRAM是系統(tǒng)中存儲/存儲層次結構的關鍵部分。在層次結構的第一層中，SRAM被集成到處理器中以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)訪問。下一層DRAM用于主存儲器。磁盤驅動器和基于NAND的固態(tài)存儲驅動器（SSD）用于存儲。

DRAM行業(yè)是一個巨大而艱難的市場。由于市場價格壓力，DRAM供應商正處于低迷之中。然而，OEM仍希望更快的DRAM具有更大的帶寬，以跟上5G和機器學習等新的數(shù)據(jù)密集型應用的沖擊。

作為響應，DRAM供應商正在朝著新的更快的帶寬規(guī)范發(fā)展。但是供應商不再按照傳統(tǒng)的速度擴展或縮小DRAM，在每個節(jié)點上，DRAM的比例大約為30％。實際上，DRAM縮放正在減慢，這會影響面積密度和成本。在DRAM中，節(jié)點由存儲單元的有源或主體的半節(jié)距指定。

如今，供應商正在以1xnm節(jié)點機制交付三款先進的DRAM產(chǎn)品。這三代DRAM沒有指定數(shù)字節(jié)點。業(yè)界將它們簡稱為1xnm，1ynm和1znm。

然后，在研發(fā)中，供應商在路線圖上又擴展了三代DRAM，全部都是1xnm節(jié)點制。這些被稱為1anm，1bnm和1***。1anm DRAM計劃于2021年或更早推出。

總而言之，DRAM在擴展方面僅取得了適度的增長，并停留在1xnm節(jié)點狀態(tài)。但是與普遍看法相反，DRAM并沒有用盡。“我們還沒有完成。我們認為路線圖不會完全關閉。美光科技公司DRAM產(chǎn)品工程高級總監(jiān)Debra Bell說。“幾年來我們的想法很清晰。然后，我們還有其他想法。我們正在討論并對此進行評估。”

盡管如此，業(yè)界在擴展此存儲器方面仍面臨若干挑戰(zhàn)。目前尚不清楚DRAM是否可以擴展到10nm以上。但是，市面上的競賽活動仍然很活躍：

來自中國的DRAM供應商將在今年進入市場。

供應商正在交付具有下一個接口規(guī)格的DDR5 DRAM，稱為DDR5，它可以加快設備中的數(shù)據(jù)傳輸速率。

在未來的DRAM節(jié)點上，三星和SK海力士計劃插入EUV進行DRAM生產(chǎn)。但是，美光科技計劃在先進的DRAM節(jié)點上擴展當今的光刻技術。

在研發(fā)中，供應商正在研究將DRAM擴展到10nm以上的技術。此外，供應商正在開發(fā)幾種可以替代DRAM和閃存的新存儲器。

DRAM前景

隨著IC市場的長期不景氣，2019年全球DRAM銷售額預計將達到620億美元，低于2018年的994億美元。根據(jù)VLSI Research的數(shù)據(jù)，預計2019年整個IC市場將下降12.9％。

但是，今天，代工業(yè)務正在升溫，顯示出復蘇跡象。IBS首席執(zhí)行官Handel Jones表示：“在DRAM方面，明年我們會迅速回升。” “目前價格正在趨向穩(wěn)定。”

此外，DRAM存儲在服務器和智能手機等系統(tǒng)中繼續(xù)增長。美光公司表示，智能手機的平均DRAM存儲將從2018年的3GB增加到2019年的4GB。人工智能，數(shù)據(jù)和視頻的爆炸式增長推動了這種增長，而人工智能，數(shù)據(jù)和視頻的爆炸式增長需要更多的內存來幫助在系統(tǒng)中存儲和傳輸信息。

同時，根據(jù)TrendForce的數(shù)據(jù)，在DRAM市場上，三星在2019年第二季度以45.5％的份額領先，緊隨其后的是SK海力士（28.7％）和美光（20.5％）。幾家中國***DRAM供應商所占份額很小。

在2019年，中國的DRAM供應商將進入市場，但一段時間內很難形成有效戰(zhàn)力。預計國內一家供應商長鑫存儲存技術有限公司將在年底前量產(chǎn)DRAM。在某個時候，清華紫光集團希望進入DRAM業(yè)務。國內另一家公司，福建晉華JHICC暫時未知動向。

但是，DRAM是系統(tǒng)中的關鍵構建塊。DRAM既快速又便宜，但也有一些缺點。DRAM和SRAM是易失性存儲技術，這意味著在系統(tǒng)電源關閉時它們會丟失數(shù)據(jù)。相比之下，閃存是非易失性的，這意味著在系統(tǒng)關閉時它會保留數(shù)據(jù)。

DRAM本身基于一晶體管，一電容器（1T1C）存儲單元架構。數(shù)據(jù)作為電荷存儲在電容器中，該電容器被指定為“ 0”或“ 1”。晶體管控制對數(shù)據(jù)的訪問。

DRAM的微小電容一晶體管設計使其非常適合將眾多存儲單元封裝到很小的區(qū)域，以實現(xiàn)高密度和高存儲容量。實際上，數(shù)十億個DRAM單元可以被壓縮到單個存儲芯片上，” Lam Research的高級技術總監(jiān)Alex Yoon解釋說。

DRAM單元以固定方式組織。這些單元成排排列，并具有位線結構，該位線結構連接到稱為字線的存儲地址中。該地址提供了一種識別數(shù)據(jù)存儲位置的方法，字線形成了一條電氣路徑，使該行上的所有存儲單元都可以同時被激活以進行存儲（寫）或檢索（讀）。” 。

但是，隨著時間的流逝，當晶體管關閉時，電容器將泄漏或放電。因此，電容器中存儲的數(shù)據(jù)必須每64毫秒刷新一次，這會消耗系統(tǒng)功耗。

在每個節(jié)點上縮放或縮小DRAM單元也變得越來越困難。Applied Materials存儲器技術董事總經(jīng)理Gill Lee 在博客中說：“有了DRAM，幾何橫向縮放仍在繼續(xù)，但是它正在放緩，并且如3D NAND一樣，需要進一步的材料創(chuàng)新。”

縮放電容器是一個障礙。“在電池電容縮放方面，長寬比是一個挑戰(zhàn)，”美光的Bell說。DRAM的另一個關鍵的縮放挑戰(zhàn)是從電容器到數(shù)字線的電荷共享。這是您的時序規(guī)格，將電荷移至數(shù)字線上需要多少時間，然后可以將數(shù)字線制作多長時間的綜合。所有這些因素都會影響擴展以及擴展的挑戰(zhàn)。”

DRAM基于堆疊式電容器架構，其中電容器被連接并駐留在凹陷的溝道陣列晶體管結構上。

電容器是垂直的圓柱狀結構。在圓柱體內部，電容器結合了金屬-絕緣體-金屬（MIM）材料疊層。該絕緣體基于二氧化鋯高k材料，從而使該結構可在低泄漏時保持其電容。

在DRAM流中，首先制造晶體管，然后制造電容器。在每個節(jié)點處，目標是保持或增加圓柱形電容器內部的體積。但是在每個節(jié)點處，電容器都會收縮，這可能導致結構內部的體積減小。這等于存儲電容器中的單元電容較小。

在20nm時，該行業(yè)在電容器縮放方面遇到了障礙。作為回應，三星開發(fā)了一種新的蜂窩電容器單元布局技術，起始于20nm。

傳統(tǒng)上，微小的圓形電容器單元并排放置在結構的表面上。相比之下，三星將表面的細胞交錯排列，類似于蜂窩狀布局。這樣就可以使用直徑更大的更高電容器。使用相同的介電材料，蜂窩結構的單元電容比以前的版本大21％。

為了在工廠中制造這些結構，三星使用了193nm浸沒式光刻和自對準雙圖案（SADP）工藝。在流中，先在表面上構圖出孔，然后再蝕刻。重復該過程。沉積金屬，然后使用原子層沉積（ALD）沉積高k材料。

擴展DRAM

利用晶圓廠中的這些技術和其他技術，三星，美光和SK海力士擴展了DRAM，并超越了20nm。

這并不容易。例如，圖案化具有良好對準的電容器孔是具有挑戰(zhàn)性的。以高深寬比蝕刻電容器也很困難。TechInsights的分析師Jeongdong Choe說：“ ALD和干法蝕刻都很難。“但是，在縮小的DRAM單元陣列上，非常薄且均勻的高k電介質沉積變得越來越重要。”

從2016年開始，供應商開始采用1xnm節(jié)點制，其中供應商在路線圖中擁有三種DRAM產(chǎn)品（1xnm，1ynm和1znm）。最初，將1xnm節(jié)點定義為具有17nm至19nm幾何形狀的DRAM，1ynm是14nm至16nm，1znm是11nm至13nm。

今天，一些供應商已經(jīng)放寬了擴展規(guī)格，在市場上造成了一些混亂。有些DRAM符合這些規(guī)格，而另一些則不符合。最重要的是，DRAM單元大小略有不同，大約為6F2。像元大小等于要素（F）大小乘以四平方。

總而言之，供應商正在逐步增加1xnm節(jié)點體系，有時是逐納米。即使這樣，供應商仍然能夠在某種程度上減小模具尺寸。

2016年，三星發(fā)布了業(yè)界首個1xnm DRAM，即18nm器件。8Gbit器件比2xnm器件快30％，功耗更低。它還包含DDR4接口標準。雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）技術在設備的每個時鐘周期兩次傳輸數(shù)據(jù)。DDR4的最高運行速度為3200Mbps。

如今，與此同時，DRAM供應商正在向下一個節(jié)點1ynm擴展設備。通常基于15納米及以上工藝的1納米DRAM將占今年出貨量的大部分。IBS的瓊斯說：“到今年年底，三星的GB容量的70％將為1納米。”

SK Hynix最近推出了16Gbit 1ynm DRAM，其密度是先前8Gbit版本的兩倍。該設備還采用了新的DDR5接口標準。

最初，DDR5支持5200Mbps，比DDR4快60％。DDR5最高可支持6,400Mbps。

其他公司也正在發(fā)售DDR5 DRAM。移動版本稱為LPDDR5。DDR4仍然是主流技術，盡管出于多種原因需要DDR5 / LPDDR5。

多年來，處理器供應商已轉向多核CPU體系結構。但是，每核內存帶寬幾乎沒有跟上。

OEM希望DRAM具有更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。這就是DDR5的合適地方。“在這里，您可以獲得帶寬和容量。我們希望能夠通過CPU內核進行擴展。考慮一下CPU內核數(shù)。在過去十年中，它已經(jīng)上漲了約8倍。顯然，內存必須緊跟潮流，才能跟上整體計算性能的步伐。”三星銷售與營銷高級副總裁Jim Elliott在最近的一次演講中表示。

同時，下一個戰(zhàn)場發(fā)生在下一個節(jié)點-1znm。美光是第一家出貨1znm DRAM的供應商，其次是三星和SK Hynix。這些設備基于DDR4或DDR5規(guī)范。

每個供應商都聲稱在1znm具有領導地位。但并非所有部分都一樣，并且縮放規(guī)格也有所不同。IBS的瓊斯說：“現(xiàn)在有很多行銷活動。”

除了1znm之外，供應商在路線圖上還擁有三層以上規(guī)模的DRAM（1anm，1bnm和1***）。供應商尚未透露這些零件的細節(jié)，這些零件仍處于1xnm節(jié)點狀態(tài)。

供應商在1安乃至更遠的地方采取了不同的途徑。在那些節(jié)點處，特征較小，且具有更多的遮罩層。為了簡化過程，DRAM行業(yè)首次將EUV投入生產(chǎn)。

例如，SK Hynix計劃在1anm使用EUV，該技術將于2021年面世。“三星在1z完成了對DRAM的EUV測試。但是，他們不會將EUV用于1z量產(chǎn)。相反，他們也許可以將其用于1a或1b批量產(chǎn)品。” TechInsights的Choe說。

EUV掃描儀使用13.5nm波長，以13nm分辨率對特征進行圖案化。但是EUV是一項復雜的技術，比投入生產(chǎn)所需的時間更長。

不過，最近，三星和臺積電已經(jīng)在7nm邏輯節(jié)點上投入了EUV的生產(chǎn)，而R＆D則為5nm。DRAM是EUV的下一個產(chǎn)品。“使用EUV，您可以獲得更好的圖案保真度。這些掩模層堆疊得越多，得到的圖像就越模糊。” VLSI Research首席執(zhí)行官Dan Hutcheson說道。

但是，并非所有人都轉向EUV。在先進的DRAM節(jié)點上，美光計劃將193nm浸沒式光刻和SADP擴展到1bnm。對于1***，四倍圖案正在開發(fā)中。

這不是什么大驚喜。美光以盡可能延長給定的光刻技術而聞名。VLSI的Hutcheson說：“他們已經(jīng)學會了如何極其節(jié)儉地使用工具，以及如何從中獲得更多的生命。”

擴展DRAM將需要超過EUV。今天的1T1C DRAM可能會再延長幾年，但可能會在12nm到10nm的范圍內耗盡。

因此，業(yè)界正在尋找以4F2單元尺寸將DRAM擴展到10nm以上的方法。TechInsights的Choe說：“垂直門以及無電容器的1T DRAM單元是4F2的候選產(chǎn)品。”

這里存在一些挑戰(zhàn)，特別是對于類似于3D結構的垂直柵極溝道晶體管。三星首席工程師Dongsoo Woo在最近的演講中說：“問題在于字線到字線的耦合以及位線到位線的耦合。”

DRAM替代品？

同時，多年來，業(yè)界一直在開發(fā)幾種可以替代DRAM和閃存的下一代存儲器類型。

如今，供應商正在發(fā)售相變存儲器（PCM），ReRAM和STT-MRAM。其他內存技術也在研發(fā)中。

下一代存儲器具有快速，非易失性和無限的耐用性。但是這些新記憶還依賴于奇特的材料和復雜的轉換機制，因此它們需要花費更長的時間來開發(fā)。另外，新的內存類型更昂貴。

每個新的內存類型都不同。PCM以非晶相和結晶相存儲信息。STT-MRAM利用電子自旋的磁性。ReRAM通過改變材料的電阻來工作。

如今，PCM和STT-MRAM設備用于SSD的某些部分。在系統(tǒng)的某些但并非全部部分中，它們代替了DRAM。因此，可以肯定地說它們并沒有完全取代DRAM。

UMC產(chǎn)品營銷總監(jiān)David Hideo Uriu表示：“目前，我們看不到任何可以直接替代DRAM的下一代存儲器。” “我們確實看到通過使用MRAM替代SRAM 。但是對于持久替換DRAM的目標，我們只能看到“混合緩存” DRAM / MRAM組件。”

STT-MRAM本身正在取得進展。“ MRAM技術將繼續(xù)改善并更接近永久性存儲器的目標。MRAM是最接近DRAM速度和性能的技術。“鑒于讀取數(shù)據(jù)的速度接近DRAM，某些應用程序可能能夠將其用作某些DRAM的替代品。再次，以“混合”形式，DRAM將用于緩存MRAM存儲區(qū)域并提高性能，從而在某些應用中替代DRAM。”

結論

可以肯定的是，下一代內存類型很有希望。但是這些產(chǎn)品仍處于早期階段。在此之前，DRAM仍然存在并且運轉良好，并且至少在可預見的將來，它可能還會存在。但是究竟有多久仍是一個未知數(shù)。