千億美元蛋糕！3D DRAM分食之戰(zhàn)悄然開(kāi)局

從目前公開(kāi)的DRAM（內(nèi)存）技術(shù)來(lái)看，業(yè)界認(rèn)為，3D DRAM是DRAM技術(shù)困局的破解方法之一，是未來(lái)內(nèi)存市場(chǎng)的重要發(fā)展方向。

3D DRAM與3D NAND是否異曲同工？如何解決尺寸限制等行業(yè)技術(shù)痛點(diǎn)？大廠布局情況？

如何理解3D DRAM？

DRAM（內(nèi)存）單元電路是由一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器組成，其中，晶體管負(fù)責(zé)傳輸電流，使信息（位）能夠被寫(xiě)入或讀取，電容器則用于存儲(chǔ)位。DRAM廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、顯卡、便攜式設(shè)備和游戲機(jī)等需要低成本和高容量?jī)?nèi)存的數(shù)字電子設(shè)備。

DRAM開(kāi)發(fā)主要通過(guò)減小電路線寬來(lái)提高集成度，但隨著線寬進(jìn)入10nm范圍，電容器電流泄漏和干擾等物理限制顯著增加，為了防止這種情況，業(yè)界引入了高介電常數(shù)（高K）沉積材料和極紫外（EUV）設(shè)備等新材料和設(shè)備。但從芯片制造商角度上看，微型化制造10nm或更先進(jìn)的芯片仍是目前技術(shù)研發(fā)的巨大挑戰(zhàn)。此外，近期尤其是2nm及以下制程的先進(jìn)制程角逐戰(zhàn)異常激烈。

在技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷更新迭代以及芯片整體面積不斷縮小的情況下，半導(dǎo)體業(yè)界將目光看向NAND的技術(shù)演變，為了克服尺寸限制，將晶體管從平面轉(zhuǎn)換為3D架構(gòu)，以提高單位面積的存儲(chǔ)單元數(shù)量，由此3D DRAM的架構(gòu)設(shè)想正式面向公眾視野。通俗來(lái)講，傳統(tǒng)DRAM的結(jié)構(gòu)是晶體管集成在一個(gè)平面上，3D DRAM則將晶體管堆疊為n層，從而分散晶體管。業(yè)界稱，采用3D DRAM結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)大晶體管之間的間隙，減少泄漏電流和干擾等。

從原理上理解，3D DRAM技術(shù)打破了內(nèi)存技術(shù)陳舊的范式，它其實(shí)是一種將存儲(chǔ)單元（Cell）堆疊至邏輯單元上方的新型存儲(chǔ)方式，以在單位晶圓面積上實(shí)現(xiàn)更高的容量。

從差異性上看，傳統(tǒng)的DRAM在讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的操作流程，而3D DRAM可直接通過(guò)垂直堆疊的存儲(chǔ)單元讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)，極大地提高了訪問(wèn)速度。3D DRAM優(yōu)勢(shì)不僅在于大容量、數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度快，同時(shí)還具有低功耗、高可靠性等特點(diǎn)，滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景需要。

從應(yīng)用領(lǐng)域上看，3D DRAM具備高速度和大容量，將有助于提升高性能計(jì)算的效率和性能；3D DRAM因具有小巧體積和大容量的特點(diǎn)，成為移動(dòng)設(shè)備的理想內(nèi)存解決方案；3D DRAM的大容量和低功耗特性可滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崟r(shí)處理和傳輸數(shù)據(jù)的需求。

此外，自ChatGPT開(kāi)啟了AI大浪潮時(shí)代，AI應(yīng)用技術(shù)爆火，AI服務(wù)器有望成為存儲(chǔ)需求長(zhǎng)期增長(zhǎng)的強(qiáng)勁驅(qū)動(dòng)力。據(jù)美光測(cè)算，AI服務(wù)器中DRAM數(shù)量是傳統(tǒng)服務(wù)器的8倍，NAND是傳統(tǒng)的3倍。

業(yè)界持續(xù)發(fā)力3D DRAM

DRAM市場(chǎng)高度集中，目前主要由三星電子、SK海力士和美光科技等廠商主導(dǎo)，值得一提的是，這三家共同占據(jù)了DRAM整個(gè)市場(chǎng)的93%以上。

據(jù)TrendForce集邦咨詢研究顯示，在2023年第三季度DRAM市場(chǎng)中，三星的市占率為38.9%，居位全球第一、其次是SK海力士（34.3%）、美光科技（22.8%）。

據(jù)業(yè)界人士預(yù)計(jì)，3D DRAM市場(chǎng)將在未來(lái)幾年快速增長(zhǎng)，到2028年將達(dá)到1000億美元。

目前，3D DRAM處于早期研發(fā)階段，包括三星等各方正在加入研發(fā)戰(zhàn)局，競(jìng)爭(zhēng)激烈，以引領(lǐng)這一快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。

三星：4F2 DRAM

三星從2019年開(kāi)始了3D DRAM的研究，并在這一年的10月宣布開(kāi)發(fā)出業(yè)界首個(gè)12層 3D-TSV（硅通孔）技術(shù)。2021年，三星在其DS部門(mén)內(nèi)建立了下一代工藝開(kāi)發(fā)研究團(tuán)隊(duì)，專注該領(lǐng)域研究。

在2022年的SAFE論壇上，三星列出了Samsung Foundry 的整體3DIC歷程，并表示將準(zhǔn)備用一種邏輯堆棧芯片SAINT-D，來(lái)處理DRAM堆疊問(wèn)題，其設(shè)計(jì)目的是想將八個(gè)HBM3芯片集成到一個(gè)巨大的中介層芯片上。

圖片來(lái)源：三星官網(wǎng)

2023年5月，據(jù)《The Elec》引用知情人士消息稱，三星電子在其半導(dǎo)體研究中心內(nèi)組建了一個(gè)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，以量產(chǎn)4F2結(jié)構(gòu)DRAM，其目標(biāo)是將4F2應(yīng)用于10納米或以下節(jié)點(diǎn)的DRAM制程，因?yàn)橐阅壳暗募夹g(shù)預(yù)計(jì)會(huì)面臨線寬縮減的極限。報(bào)道稱，如果三星4F2 DRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)研究成功，在不改變節(jié)點(diǎn)的情況下，與現(xiàn)有的6F2 DRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)相比，芯片DIE面積可以減少30%左右。

同年10月，三星電子在“內(nèi)存技術(shù)日”活動(dòng)上宣布,計(jì)劃在下一代10納米或更低的DRAM中引入新的3D結(jié)構(gòu)，而不是現(xiàn)有的2D平面結(jié)構(gòu)。該計(jì)劃旨在克服3D垂直結(jié)構(gòu)縮小芯片面積的限制并提高性能，將一顆芯片的容量增加100G以上。

三星電子去年在日本舉行的“VLSI研討會(huì)”上發(fā)表了一篇包含3D DRAM研究成果的論文，并展示了作為實(shí)際半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)的3D DRAM的詳細(xì)圖像。

據(jù)《The Economictimes Times》報(bào)道，三星電子于近日稱已在美國(guó)硅谷開(kāi)設(shè)了一個(gè)新的R&D研究實(shí)驗(yàn)室，專注于下一代3D DRAM芯片的開(kāi)發(fā)。該實(shí)驗(yàn)室位于硅谷Device Solutions America（DSA）運(yùn)營(yíng)之下，負(fù)責(zé)監(jiān)督三星在美國(guó)的半導(dǎo)體生產(chǎn)，并致力于開(kāi)發(fā)新一代的DRAM產(chǎn)品。

SK海力士：將IGZO作為3D DRAM的下一代通道材料

SK海力士認(rèn)為，3D DRAM可以解決帶寬和延遲方面的挑戰(zhàn)，并已在2021年開(kāi)始研究。

據(jù)韓媒《BusinessKorea》去年報(bào)道，SK海力士提出了將IGZO作為3D DRAM的新一代通道材料。

IGZO是由銦、鎵、氧化鋅組成的金屬氧化物材料，大致分為非晶質(zhì)-IGZO和晶化IGZO（c-IGZO），其中，c-IGZO是一種物理、化學(xué)穩(wěn)定的材料，在半導(dǎo)體工藝過(guò)程中可保持均勻的結(jié)構(gòu)，SK海力士研究的正是這種材料。

據(jù)業(yè)界人士表示，IGZO 的最大優(yōu)勢(shì)是其低待機(jī)功耗，這種特點(diǎn)適合要求長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間的DRAM芯晶體管。通過(guò)調(diào)節(jié)In、Ga、ZnO等三個(gè)成分的組成比，很容易實(shí)現(xiàn)。

NEO：3D X-DRAM密度可提高8倍

美國(guó)存儲(chǔ)器技術(shù)公司NEO Semiconductor推出其突破性技術(shù) 3D X-DRAM，為解決DRAM 容量瓶頸。

3D X-DRAM是第一個(gè)基于無(wú)電容器浮體單元（FBC）技術(shù)的類(lèi)似3D NAND的DRAM單元陣列結(jié)構(gòu)。其技術(shù)邏輯與3D NAND Flash類(lèi)似，通過(guò)堆疊層數(shù)提高存儲(chǔ)器容量，類(lèi)似3D NAND Flash芯片的FBC 技術(shù)，增加一層光罩就形成垂直結(jié)構(gòu)，有良率高、成本低、密度大幅提升等優(yōu)點(diǎn)。

圖片來(lái)源：NEO Semiconductor官方截圖

據(jù) Neo 的估計(jì)，3D X-DRAM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn) 230層128 Gb 密度，這是當(dāng)今 DRAM 密度的 8 倍。NEO提出，每10年容量提升8倍的目標(biāo)，將在2030到2035年間實(shí)現(xiàn)1Tb的容量，較現(xiàn)DRAM核心容量達(dá)64倍提升，滿足ChatGPT等AI應(yīng)用對(duì)高性能和大容量存儲(chǔ)器半導(dǎo)體的增長(zhǎng)需求。

NEO聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Andy Hsu認(rèn)為，3D X-DRAM將是半導(dǎo)體行業(yè)未來(lái)絕對(duì)的增長(zhǎng)動(dòng)力。

日本研究團(tuán)隊(duì)：BBCube 3D，比DDR5高30倍

日本東京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種名為BBCube的3D DRAM 堆棧設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)可以讓處理單元和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)之間更好地集成。

BBCube 3D最顯著的方面是實(shí)現(xiàn)了處理單元和DRAM之間的三維而非二維連接。該團(tuán)隊(duì)使用創(chuàng)新的堆疊結(jié)構(gòu)，其中處理器管芯位于多層DRAM之上，所有組件通過(guò)硅通孔（TSV）互連。

BBCube 3D 的整體結(jié)構(gòu)緊湊、沒(méi)有典型的焊料微凸塊以及使用 TSV 代替較長(zhǎng)的電線，共同有助于實(shí)現(xiàn)低寄生電容和低電阻，在各方面改善了該器件的電氣性能。

圖片來(lái)源：東京工業(yè)大學(xué)官方截圖

該研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了新體系結(jié)構(gòu)的速度，并將其與兩種最先進(jìn)的存儲(chǔ)器技術(shù)（DDR5和HBM2E）進(jìn)行了比較。研究人員稱，BBCube 3D有可能實(shí)現(xiàn)每秒1.6兆字節(jié)的帶寬，比DDR5高30倍，比HBM2E高4倍。

此外，由于BBCube具有低熱阻和低阻抗等特性，3D集成可能出現(xiàn)的熱管理和電源問(wèn)題可得到緩解，新技術(shù)在顯著提高帶寬的同時(shí)，比特訪問(wèn)能量分別為DDR5和HBM2E的1/20和1/5。

結(jié)語(yǔ)

DRAM技術(shù)從1D到2D，再到如今結(jié)構(gòu)各異的3D，為業(yè)界貢獻(xiàn)了解決行業(yè)痛點(diǎn)的多樣式方案，不過(guò)如何優(yōu)化和改善制造成本、耐久性和可靠性等仍是業(yè)界努力挑戰(zhàn)3D DRAM技術(shù)的難題。由于開(kāi)發(fā)新材料的困難和物理限制，3D DRAM的商業(yè)化還需要一些時(shí)間。

從當(dāng)前研究進(jìn)度看，目前業(yè)界正在進(jìn)行很多關(guān)于3D DRAM結(jié)構(gòu)的研發(fā)，該結(jié)構(gòu)還處于早期階段，據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，3D DRAM將在2025年左右開(kāi)始問(wèn)世，而實(shí)際量產(chǎn)在2030年后成為可能。