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什么是存儲(chǔ)芯片
2023-03-06 3902次

  世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織(WSTS)將所有半導(dǎo)體按照結(jié)構(gòu)功能劃分為集成電路、分立器件、光電子器件與傳感器四大類。


 什么是存儲(chǔ)芯片


  集成電路簡稱IC(Integrated Circuit)，是采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容等元件集成在半導(dǎo)體晶圓上，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)，占全球半導(dǎo)體市場份額的83%。

  集成電路可進(jìn)一步細(xì)分為承擔(dān)計(jì)算功能的邏輯芯片、承擔(dān)存儲(chǔ)功能的存儲(chǔ)芯片，承擔(dān)傳輸與能源供給功能的模擬芯片以及將運(yùn)算、存儲(chǔ)等功能集成于一個(gè)芯片之上的微控制單元(MCU)，它們的市場份額分別占到半導(dǎo)體總體市場份額的28.22%、27.39%、13.28%、14.11%，邏輯芯片與存儲(chǔ)芯片占比較高。

  非集成電路半導(dǎo)體元件(分立器件、光電子器件、傳感器)的市場份額占半導(dǎo)體總體市場份額的17%，我們也會(huì)在在系列后續(xù)文章中詳細(xì)介紹。


什么是存儲(chǔ)芯片

數(shù)據(jù)來源：WSTS、大象研究院整理


  存儲(chǔ)芯片是半導(dǎo)體的一大重要分支，2020年存儲(chǔ)芯片的市場規(guī)模約占半導(dǎo)體總市場規(guī)模的22.41%，存儲(chǔ)芯片可按數(shù)據(jù)是否易失分為非易失性存儲(chǔ)芯片與易失性存儲(chǔ)芯片.

  易失性存儲(chǔ)芯片可分為動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(DRAM)與靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(SRAM)，非易失性存儲(chǔ)器則可分為NOR FLASH與NAND FLASH與只讀存儲(chǔ)器。根據(jù)IC insights的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年以以銷售額口徑計(jì)算的市場規(guī)模NAND FLASH占比為56%，DRAM為41%，其它為3%。


什么是存儲(chǔ)芯片


  DRAM

  DRAM(Dynamic Random Access Memory)是易失性存儲(chǔ)器的重要分支，易失性存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是斷電丟失數(shù)據(jù)，例如我們平時(shí)使用word或excel時(shí)如果沒有點(diǎn)保存，突然關(guān)機(jī)或斷電后再重啟時(shí)文件便會(huì)丟失，就是因?yàn)槲覀儧]點(diǎn)保存時(shí)數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在電腦內(nèi)存中，只有我們點(diǎn)擊保存后，數(shù)據(jù)才會(huì)保存在硬盤中，而電腦內(nèi)存使用的就是DRAM。

  有小伙伴疑惑為什么在有了硬盤的基礎(chǔ)上還會(huì)有內(nèi)存，內(nèi)存的意義在于如果計(jì)算機(jī)的每一次運(yùn)算都需要直接從硬盤中抓取數(shù)據(jù)，會(huì)極大降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率。


什么是存儲(chǔ)芯片


  易失性存儲(chǔ)器斷電丟失數(shù)據(jù)的根本原因在于其存儲(chǔ)方式，DRAM的每一個(gè)bit cell(存儲(chǔ)單元)由一個(gè)電容與一個(gè)晶體管兩個(gè)元器件組成，晶體管起開關(guān)作用，DRAM的存儲(chǔ)原理是通過電容充放電后的電勢高低代表0和1，從而起到存儲(chǔ)功能，而電容在斷電的情況下會(huì)漏電，存儲(chǔ)信息會(huì)因?yàn)殡娙莸穆╇姸鵁o法識(shí)別。

  DRAM所使用的電容容量極小，電子僅能保存幾毫秒的時(shí)間，為了使電子不丟失，每隔幾毫秒就要充電刷新一次，這就是DRAM名稱中動(dòng)態(tài)(Dynamic)的由來，而另一種無需頻繁充電刷新的易失性存儲(chǔ)器則被稱為SRAM。

  雖然DRAM具有斷電丟失數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，但由于讀寫速度較快被應(yīng)用于PC機(jī)的內(nèi)存、智能手機(jī)、服務(wù)器。2020年DRAM下游需求中，智能手機(jī)、服務(wù)器、PC機(jī)占39.7%、34.9%與12.6%，三者合計(jì)90%。SRAM的讀寫速度更快，但價(jià)格較高，可用于容量要求較小但讀寫速度要求更高的高速緩沖存儲(chǔ)器如CPU緩存。

  全球DRAM產(chǎn)品目前由三星、SK海力士與美光壟斷，三者市場份額占到95%，三星于2020年上半年完成10nm制程DRAM的出貨，為業(yè)內(nèi)最高水平。國內(nèi)DRAM領(lǐng)域代表企業(yè)有長鑫存儲(chǔ)(IDM)與兆易創(chuàng)新(fabless)，兆易創(chuàng)新2021年首款DRAM芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，主要面向工控等利基市場，長鑫存儲(chǔ)的工藝制程正處于16nm-19nm階段，相比三巨頭落后約4年-5年。

  FLASH：便攜式設(shè)備存儲(chǔ)主力

  相對于DRAM在易失性存儲(chǔ)器中的地位，F(xiàn)LASH則是非易失性存儲(chǔ)器最重要的分支，非易失性存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是斷電不失數(shù)據(jù)，這使得FLASH能夠在沒有電流供應(yīng)的條件下長久地保存數(shù)據(jù)。我們電腦中的硬盤所用的存儲(chǔ)芯片就是FLASH。

什么是存儲(chǔ)芯片


  FLASH的unit cell(存儲(chǔ)單元)是一個(gè)含有源極、漏極與柵極的三端器件。

  在向柵極施加正向偏壓時(shí)，電子在隧穿效應(yīng)下從隧穿層進(jìn)入浮柵存儲(chǔ)起來，閾值電壓較高，對應(yīng)邏輯為0。

  在向柵極施加負(fù)向偏壓時(shí)，浮柵中的電子退出隧穿層，閾值電壓較小，對應(yīng)邏輯為1，這個(gè)過程就就完成了信息的存儲(chǔ)。

  即使電流消失，阻擋層與隧穿層也能保證浮柵中的電子不丟失，從而保證數(shù)據(jù)的完整性。

  FLASH相比DRAM的優(yōu)點(diǎn)在于斷電不失數(shù)據(jù)，且成本較低，缺點(diǎn)在于由于每一次寫入數(shù)據(jù)均需要擦除一次，使得寫入速度慢于DRAM。

  FLASH存儲(chǔ)芯片可進(jìn)一步細(xì)分為NOR FLASH與NAND FLASH，NAND的擦除操作簡便，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將每一個(gè)存儲(chǔ)單元均寫入數(shù)據(jù)，然后才能做擦除，因此NAND的寫入速度相比NOR更快。

  DRAM、NAND FLASH/NORFLASH三類存儲(chǔ)芯片對比

  DRAMNAND FLASHNOR FLASH

  成本高低中

  讀取速度快慢中

  寫入速度快(無需擦除)中低

  容量低高中

  市場份額56%41%2%

  NOR主要應(yīng)用于早期電腦與老式功能機(jī)，這些設(shè)備存儲(chǔ)器的主要需求在于讀取系統(tǒng)程序，讀取速度快的NOR占優(yōu)，但隨著智能手機(jī)的不斷發(fā)展，NAND寫入速度快的優(yōu)勢顯現(xiàn)，NOR的市場規(guī)模不斷萎縮，直到2016年后TWS耳機(jī)的興起NOR才逐漸走出谷底。


NAND近年來需要關(guān)注的技術(shù)變革為3D堆疊技術(shù)的應(yīng)用，不同于以往將存儲(chǔ)單元直接平鋪電路板上，而是像建高樓一樣，將存儲(chǔ)單元層層平鋪3D NAND將思路從提高制程工藝轉(zhuǎn)到在一定面積堆疊更多的存儲(chǔ)單元以提高容量。 全球NAND FLASH芯片目前由三星、鎧俠、SK海力士、西部數(shù)據(jù)與美光壟斷，CR5達(dá)到90%以上。國內(nèi)NAND領(lǐng)域龍頭企業(yè)為長江存儲(chǔ)，長江存儲(chǔ)采用設(shè)計(jì)、制造、封測一體化的IDM模式，于2020年成功研發(fā)中國首款128層3D NAND閃存，并于2021年下半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，當(dāng)前三星、美光、SK海力士等第一梯隊(duì)廠商正在研發(fā)176層3D NAND閃存。 NOR相比NAND市場規(guī)模較小，因此實(shí)力較強(qiáng)的存儲(chǔ)芯片廠商往往放棄這一領(lǐng)域，為國內(nèi)企業(yè)留出了一定的空間，臺(tái)灣企業(yè)旺宏電子、華邦電子與大陸企業(yè)兆易創(chuàng)新的市場份額合計(jì)占到70%，兆易創(chuàng)新的市場份額約20%。
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