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進入1x nm時代,DRAM產業舉步維艱
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隨著美光把臺灣南亞科技納入囊中,DRAM記憶體產業基本上只有三星、SK Hynix及美光三家在玩了。目前三大廠商的主力制程工藝已經進入20nm,其中三星的進度最快,他們2015年3月份量產了20nm工藝,但現在正在修改工藝,已經完成了1x nm工藝的的量產驗證工作。
在DRAM記憶體市場上,三星不僅產能、份額最高,技術是最領先的,他們已經率先進入了1x nm工藝。
這聽起來是一件非常瘋狂的事情,因為在大多數工程師看來DRAM的工藝將會止步於20nm左右。然而三星似乎想將DRAM的工藝延伸的更遠。SK Hynix和美光也有著類似的計畫。
未來,這些廠商希望在1x nm節點之後能夠繼續推進兩到三代的工藝,然後停留在1x nm上,即便如此這一過程也可能耗費十多年的時間。
但是,將工藝延伸到20nm以下並不是一件簡單的事情。因為要實現1x nm的目標,三星等廠商就必須推出一些創新的技術。這其中就包括全新的空氣隔離技術以及創新的分佈方案。但是就目前的情況來看,這些廠商在某些步驟上還依然在使用193nm的光刻技術。
三星的首席工程師J.M. Park表示,“三星已經為18nm開發了全新的技術,這些低成本並具有可靠性的方案,將能夠持續推進18nm 及以下工藝的進步。”從目前三星在DRAM市場的情況來看,這些在逐漸成為事實。
 
除了這些創新的技術,發展DRAM工藝還需要投入大量的資金。根據Pacific Crest Securities的資料顯示,要實現先進技術的DRAM工藝每月10000wafer的產量,需要投入6億美元的成本。而同等工藝的NAND只需要4.5億美元。
DRAM是什麼?
RAM(Random Access Memory隨機存貯器)是指通過指令可以隨機地、個別地對每個存儲單元進行訪問、訪問所需時間基本固定、且與存儲單元位址無關的可以讀寫的記憶體。幾乎所有的電腦系統和智慧電子產品中,都是採用RAM作為主存。
在系統內部,RAM是僅次於CPU的最重要的器件之一。它們之間的關係,就如人的大腦中思維與記憶的關係一樣,實際上是密不可分的。但在電腦內部,它們卻是完全獨立的器件,沿著各自的道路向前發展。
DRAM(Dynamic RAM)即動態RAM,是RAM家族中最大的成員,通常所講的RAM即指DRAM. DRAM由電晶體和小電容存儲單元組成。每個存儲單元都有一小的蝕刻電晶體,這個電晶體通過小電容的電荷保持存儲狀態,即“開”和“關”。電容類似於小充電電池。它可以用電壓充電以代表1,放電後代表0,但是被充電的電容會因放電而丟掉電荷,所以它們必須由一新電荷持續地“刷新”。
與CPU等晶片相比,DRAM記憶體在20nm節點之後也放緩了速度,線寬減少越來越困難,40nm工藝的DRAM記憶體晶片線寬減少約為5-10nm,20nm工藝的線寬減少就只有2-3nm了,更先進的工藝減少線寬就更困難了。
在20nm以下,DRAM工藝預計將經過兩到三次的技術反覆運算.,可以稱之為1x nm,1y nm,1z nm。“其中,1x nm位於16nm和19nm之間,1y nm則定義為14nm到16nm,1z nm則是12nm到14nm。”應用材料的總經理Er-Xuan Ping在談到DRAM工藝時表示。
但是從目前的情況來看,1y nm是有可能實現的,1z nm還是無法確定的。從目前的技術情況來看,實現1z nm還是非常遙遠的事情。
“在1x(18nm)、1y(17nm)及1z(16nm)工藝之後,DRAM記憶體製造工藝還會減小到1a、1b、1c、1d等”,三星電子DS設備解決方案部門的經理Jung Eun-seung稱三星需要開發與現有材料不同的、新的半導體材料,還要提高制程工藝的穩定性以便能大規模量產。
DRAM面臨四個重要的技術挑戰
除了商業問題,DRAM還面臨四個重要的技術挑戰——能量功耗,頻寬,延遲和制程升級。DRAM本身是建立在一個電晶體一個電容器(1T1C)單元結構的基礎上。單元排列成一個矩形,呈網狀模式。
簡單的說,對DRAM單元的電晶體施加電壓,反過來給存儲電容器充電,然後每比特資料存儲在電容器中。
隨著時間的推移,當電晶體關閉時,電容器中的電荷會洩露或者放電。因此,在電容器中存儲的資料必須每64毫秒就刷新一次,但這會導致系統不必要的能量功耗。
還有一些其他問題。來自ARM公司的資訊是,從2009年到2014年,手機設備中的存儲頻寬需求已經增加了16倍。然而時鐘延遲和器處理器到DRAM的資料傳輸器件延遲一直保持相對恒定。
一個關鍵的延遲度量叫做tRC。思科的Slayman認為,處理器運行的越來越快,但從過去二十年的tRC來看,DRAM速度只增加了兩倍。所以,DRAM不是更快,但頻寬(要求)會繼續加大。
為解決此問題,幾年前半導體行業研發了記憶體介面技術,叫做雙倍數據速率(DDR)。DDR技術每時鐘週期會傳輸兩倍的資料。
對於PC和伺服器,行業正從DDR3標準往DDR4DRAM過渡。DDR4 DRAM數據率高達25.8-GB/s,是DDR3 DRAM的兩倍。在移動領域,OEM正從LPDDR3轉型至LPDDR4 DRAM。LPDDR DRAM是DRAM的低功耗版本。LPDDR4的數據率也高達25.8-GB/s。
現在,DDR4/LPDDR4 DRAM正在量產爬坡,但是這項技術可能不夠快。事實上,一些OEM廠商想要更快的記憶體和更大的頻寬。
於是呢?現在,在一些不起眼的角落,行業正著眼於下一代介面技術——DDR5和LPDDR5。Slayman說:“現在需要DDR4的替代品,伺服器和路由器的確需要大量的記憶體,他們也許需要類似DDR5那樣提供盡可能高的密度的解決方案。”
DDR5/LPDDR5的規格和時間尚不清楚。DDR5/LPDDR5甚至有可能永遠不會出現。實際上,DDR4/LPDDR4或者是DDR5/LPDDR5可能成為二維DRAM的終結,並且有一個更好的理由——DRAM將很快停止制程升級。
18/17nm工藝DRAM進展不順
即便三星、美光、SK Hynix今年要大規模量產20nm工藝以內的18nm、17nm記憶體晶片,但是從目前的情況來看,結果進展並不順利,產能還會繼續吃緊。市場上,4GB的DDR4 PC記憶體Q2季度合約價預計會從24美元漲至27美元,提升12.5%就是一個非常好的證明。
DRAMeXchange分析師Avril Wu在最新報告中指出PC OEM廠商原本以為三星、美光升級18nm、17nm工藝的記憶體晶片之後,記憶體產品供應量會加大,有助於緩解記憶體缺貨漲價的問題,不料天不遂人願,記憶體廠商在新制程轉換上遇到了良率、樣品認證等問題,以致於Q2季度的供應還會繼續吃緊,價格繼續上漲也是定局。
三星去年3月底就率先宣佈量產18nm工藝記憶體,當初寫這個新聞時業界給出的預期是下半年記憶體價格會大降40%,結果......但是從當時的情況來看,業界預期降價也是有理由的,因為18nm工藝的記憶體容量更大,性能更好,產能也會更多,一旦三星大規模量產,記憶體產品按理說確實會降價,只是沒想到市場情況發生了變化。
就18nm工藝來說,三星在20nm之後的節點也遇到了很多技術困難,這不僅與晶片設計、製造有關,甚至在某些平臺上還出現了相容性問題,因此18nm記憶體的出貨遭遇延期,市場供應依然緊缺。
美光公司Q1季度宣佈出樣17nm工藝的新一代記憶體,但是進展也比預計的晚一些,美光很可能推遲到今年Q2季度之後再來量產17nm記憶體。
相比美光、三星,SK Hynix是唯一一家沒有宣佈制程工藝轉換的記憶體公司了,其DRAM記憶體產品維持正常出貨。
這三家記憶體廠商在新技術轉換過程遇到的問題說明瞭20nm工藝之後制程升級的門檻提高了,過程要比想像中困難,耗費的時間也比預期更久。
為什麼說15nm是極限
韓媒etnews 18日報導,業界消息稱,三星去年開始量產18nm DRAM,目前正研發17nm DRAM,預定今年底完成開發、明年量產。與此同時,三星也成立16nm DRAM開發小組,目標最快2020年量產。相關人士透露,微縮難度高,2020年量產時間可能延後。
業界預計15nm節點將是(傳統)DRAM記憶體的終點,未來DRAM的技術門檻會越來越高。
未來兩年三星還會研發代號Kevlar(凱夫拉)的16nm工藝,預計在2020年早些時候大規模量產。三星現在的產能主力還是20nm工藝(代號Boltzmann,玻爾茲曼),18nm產能正在穩步提升,預計明年18nm工藝就會佔據主要份額。
三星從20nm制程(28→25→20),轉進10nm制程(18→17),縮小線寬(Line-width)的速度明顯放緩。三星尚未成立15nm制程以下的研發團隊,因為由此開始,電流外泄和電容器幹擾和情況將更為明顯,需要開發新的材質。
三星設備解決方案部門的半導體實驗室人員Jung Eun-seung說,為了繼續縮小線寬,必須開發與當前不同的新材質,並提高制程穩定性,以便進入量產。
中國DRAM的前景又如何
從現在看來,中國本土的存儲產業雖然有點弱小,但是中國大張旗鼓的建設,大基金和政府的支援,這絕對是存儲領域不能忽視的新興力量。
從IC Insights的報告我們得知,中國現有的存儲勢力包括:
(1)長江存儲,這是清華紫光在今年7月收購XMC之後成立的新公司。它的300mm 3D NANND FLASH 晶圓廠已經動工,產線預計2017年底或者2018年初投入使用。
(2)兆易創新和中芯國際前CEO王甯國打造的合肥長鑫,專攻DRAM,預計2017年7月動工。
(3)福建晉華專案,強攻DRAM,由當地政府和聯電攜手打造。預計2018年第三季度量產。
據半導體行業觀察小編瞭解到,按照早期規劃,長江存儲原本是想既做Flash,又做DRAM的。但經過了幾個月的運營,形勢逐漸明朗,長江存儲還是只專注於做NAND Flash。
但是DRAM對中國來說,同樣重要,所以中國也不會忽視。另外跟FLASH相比,DRAM的供應商更少,且專利什麼的更集中,競爭對手少,但是強大。
聯電和福建政府打造的晉華專案,就是瞄準DRAM而去的。雙方的合作在今年五月份宣佈的,這個合作是中國半導體建設的一個重要組成部分。
根據合作協定,聯電會在臺灣成立一個百人規模的研發團隊,而福建晉華則提供研發所需的資金。根據分析人士透露,聯電本身對於進入DRAM是沒有什麼興趣,但他們看好和中國合作夥伴共同推進先進技術後帶來的收益。
晉華專案將投資56.5億美元在晉江建立一個300mm晶圓廠,投入先進存儲技術的研發。計畫2018年9月試產,並達到月產6萬片的規模。據透露,初期將會導入32nm制程。
 
結論
中國半導體產業正處在黃金階段,中國政府和業界對積體電路產業的高度重視和大力投入,當前是半導體記憶體產業實現突破的絕好機遇,而國務院於2014年6月頒佈了《國家積體電路產業發展推進綱要》,要實現其中積體電路行業產值從2015年3500億人民幣以年均20%的增速達到2020年約8700億人民幣這一目標,DRAM產業的增長顯得至關重要。
目前,隨著DRAM的技術門檻越來越高。DRAM制程升級還有多遠的路要走?下一個制程節點可能是18nm。而到15nm的挑戰性會更大。15nm或許將成為DRAM制程微縮的極限。未來三星可能難以透過制程微縮拉大與對手差距,而這或許正是中國企業在DRAM產業大步趕上的最好時機!
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