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商业、技术双重挑战下 DRAM未来将驶向何方?
东京的风 2015-09-04
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OFweek电子工程网讯 经过数十年的发展,DRAM目前面临越发困难的处境:PC市场的萎靡带来的需求不振,DRAM制程升级的的成本不断攀升。这使得目前业界正在纷纷积极寻找DRAM的替代品,但是DRAM真是一个不得已而为之的选择吗?从目前DRAM的出货量来看,短期之内并不会有大的变化。但在长期,DRAM留下的市场空间将必是各路新兴技术的必争之地:这就是在今天这个环境下继续深入研究DRAM的意义。

由于DRAM制程升级开始减速,供应商们开始着眼于替代封装技术和新型内存类型与架构。

DRAM一直是一个具有挑战性的行业。多年来,在竞争环境下DRAM供应商已经经历了多次繁荣和萧条的循环。但是现在,该行业面对着一个阴晴不定,甚至可以说是无法确定的未来。

一方面,DRAM供应商在2016年面临着产能过剩和价格下降之间的衰退。

但尽管存在商业挑战,美光、三星和SK海力士仍在制程升级的竞争中全速前进,并希望在今年或明年突破20nm。然而随着1xnm节点上的技术失去了动力,DRAM制程升级也接近了尾声。

DRAM制造商和他们的消费者还面临着其他挑战。有一段时间,DRAM无法跟上当今系统的宽带需求,推进了对替换技术的需求。为此,该行业制定了一系列的解决方案,如3D DRAM和各种下一代存储器类型。

问题是什么?在可预见的未来的OEM有充分的理由必须继续使用二维DRAM。现在,仍然没有可以在速度、密度和成本方面赶得上二维DRAM的替代技术。

网络设备巨头思科系统工程技术负责人Charles Slayman 认为,目前存在几种候选技术,但是没有一种可以称得上是明确的替代方案来解决刚才的问题。

这同样适用于还在继续扩产的NAND闪存。Slayman认为,闪存和DRAM会停留很长一段时间,DRAM不是停滞不前的,它会继续取得进展,但是不会以曾经那样极快的速度发展。从工艺节点升级中会获取一些收益,尽管这些收益会变得愈发难以获得。

无论如何,OEM可以通过集中途径获取主存储器零件。为了协助OEM的生产,半导体工程已经研究了下面几种存储技术的现状——二维DRAM;3D或者堆叠式DRAM;和下一代存储技术。

 

二维DRAM

在一个系统中,传统的存储器层次结构十分简单。SRAM被集成到处理器中做缓存。DRAM用于主存储器。磁盘驱动器和固态存储驱动器用于数据保存。

每个系统类型有不同的DRAM需求。例如,手机OEM需要快速、低功耗并且廉价的DRAM。网络方面更注重更低的延迟,对于服务器空间更重要的则是存储器单位比特的成本和容量。

市场研究公司HIS的分析师Mike Howard认为,从手机和服务器市场的放缓来看,预计在2016年DRAM业务会达到400亿美金,较2015年下降10%。

Howard认为,今年DRAM市场可能下降20%,很少或者根本没有出现好转迹象。目前还不清楚是否会发生反弹或什么时候会发生反弹。

据其他分析师所说,今年DRAM市场的资本支出预计会下降20%到30%,KLA-Tencor(科磊)企业战略和市场营销的高级经理Takuji Tada认为,DRAM投资会随着价格的持续疲软而降低。

除了商业问题,DRAM还面临四个重要的技术挑战——能量功耗,带宽,延迟和制程升级。DRAM本身是建立在一个晶体管一个电容器(1T1C)单元结构的基础上。单元排列成一个矩形,呈网状模式。

简单的说,对DRAM单元的晶体管施加电压,反过来给存储电容器充电,然后每比特数据存储在电容器中。

随着时间的推移,当晶体管关闭时,电容器中的电荷会泄露或者放电。因此,在电容器中存储的数据必须每64毫秒就刷新一次,但这会导致系统不必要的能量功耗。

还有一些其他问题。来自ARM公司的信息是,从2009年到2014年,手机设备中的存储带宽需求已经增加了16倍。然而时钟延迟和器处理器到DRAM的数据传输器件延迟一直保持相对恒定。

一个关键的延迟度量叫做tRC。思科的Slayman认为,处理器运行的越来越快,但从过去二十年的tRC来看,DRAM速度只增加了两倍。所以,DRAM不是更快,但带宽(要求)会继续加大。

为解决此问题,几年前半导体行业研发了存储器接口技术,叫做双倍数据速率(DDR)。DDR技术每时钟周期会传输两倍的数据。

对于PC和服务器,行业正从DDR3标准往DDR4 DRAM过渡。DDR4 DRAM数据率高达25.8-GB/s,是DDR3 DRAM的两倍。在移动领域,OEM正从LPDDR3转型至LPDDR4 DRAM。LPDDR DRAM是DRAM的低功耗版本。LPDDR4的数据率也高达25.8-GB/s。

现在,DDR4/LPDDR4 DRAM正在量产爬坡,但是这项技术可能不够快。事实上,一些OEM厂商想要更快的存储器和更大的带宽。

于是呢?现在,在一些不起眼的角落,行业正着眼于下一代接口技术——DDR5和LPDDR5。Slayman说:“现在需要DDR4的替代品,服务器和路由器的确需要大量的存储器,他们也许需要类似DDR5那样提供尽可能高的密度的解决方案。”

DDR5/LPDDR5的规格和时间尚不清楚。DDR5/LPDDR5甚至有可能永远不会出现。实际上,DDR4/LPDDR4或者是DDR5/LPDDR5可能成为二维DRAM的终结,并且有一个更好的理由——DRAM将很快停止制程升级。

展望未来,供应商们希望通过两代或三代1xnm体制去升级DRAM,也被称为1xnm,1ynm和1znm。应用材料的硅晶系统事业部门存储器与材料总经理Er-Xuan Ping解释到,1xnm处于16nm和19nm之间,1ynm规定在14nm到16nm,1znm规定在12nm到14nm。

将DRAM制程升级到1znm是有可能的,但是想超越它却不太可能。泛林半导体的全球产品集团首席技术官Yang Pan认为DRAM从20nm到1xnm的过渡期要面对数种工艺和集成挑战。

经济学在这个问题上起着重要作用。HIS的Howard认为DRAM还有一两代技术,但是每次升级都需要更长的时间一步步探索。随着DRAM降到20nm以下、到达15nm范围内,它开始带来一些有趣的经济问题。如,什么时候停止缩小尺寸会有经济上的意义?目前真的达到了制程升级和维护信号完整性的物理极限。

DRAM制程升级还有多远的路要走? TechInsights的高级技术研究员Jeongdong Choe认为下一个制程节点可能是18nm。而到15nm的挑战性会更大。

总之,DRAM将失去动力并在未来十年内停止升级。应用材料的Ping认为十年后,人们将不会为DRAM制程升级继续投资。在那个阶段,DRAM制造商将继续大量生产DRAM,但这很可能只是1xnm基础上的遗留部分,在几何图形之上。

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