雙墻阻礙算力升級 探討四大新型存儲應用

傳統存儲難破雙墻阻礙，智聯時代新型存儲應運而生。 AIoT、 5G、智能汽車等新興應用場景對數據存儲在容量、速度、功耗、成本、可靠性等層面提出更高要求。但 CPU 與存儲芯片間的“性能墻”與各級存儲芯片間的“存儲墻”成為限制傳統存儲器應用于新興領域的兩座難關。 基于材料介質改造或技術升級的 PCRAM、 MRAM、 ReRAM 和 FeRAM 四大類新型存儲， 或將成為未來存儲器的發展趨勢之一。

模糊外存和主存界限， PCRAM 產業化面臨障礙。 PCRAM（相變存儲器）通過改變溫度實現相變材料電阻變化，以此為基礎存儲數據信息。 PCRAM 目前無物理極限，厚度 2nm 的相變材料可以實現存儲功能，因此可能解決存儲器工藝的物理極限問題，成為未來通用的新一代半導體存儲器件之一。 國際廠商英特爾先后與三星、美光合作開展 PCRAM 研發，國內廠商時代全芯也已掌握研發、生產工藝和自主知識產權。 但 PCRMA 對溫度的高敏感度、存儲密度過低、高成本、低良率等問題限制其大規模產業化， 2021 年美光宣布停止基于3D XPoint 技術產品的進一步開發。

MRAM 產品進入量產， eMRAM 替代 SRAM 空間大。 MRAM（磁存儲器）的基本單位為磁隧道結（MTJ） ， Everspin 為獨立式 MRAM 龍頭， IBM、三星、瑞薩走在嵌入式 MRAM 技術前沿。 其中， 獨立式 MRAM 目前已經應用于航空、航天、軍工等對可靠性要求較高的領域，但市場規模較小。 嵌入式MRAM 已成功進入 MCU 嵌入式系統，并逐步替代慢速 SRAM 成為工作緩存新方案，應用于相機 CMOS 等。 未來嵌入式 MRAM 更具成長空間， 提速降價后有望替代 SRAM 或 eDRAM 等高速緩存，進入手機 SoC 和 CPU 等產品。

ReRAM 有望替代 eFlash， 成長空間廣闊。 ReRAM（可變電阻式存儲器）以基本單位電阻變化存儲數據。 Data Bridge 測算 2022 年全球 ReRAM 市場規模為 6.07 億美元， 預計 2030 年有望達到 21.60 億美元。松下、富士通等為ReRAM 產品主要設計廠商，國內兆易創新與昕原半導體也基本實現商業化。其中， 獨立式 ReRAM 目前在工業級小容量存儲得到廣泛應用，并在 IoT 領域逐步替代 NOR FLASH，突破容量和讀寫速度后有望替代閃存進入企業級存儲市場。 嵌入式 ReRAM 目前已替代 eFLash 可用于模擬芯片內，進一步有望進入 MCU 芯片等，技術長足發展后有望進入 CPU 作為最后一級高速緩存。

FeRAM 研發正當時，多種優勢突破傳統存儲限制。 FeRAM 具有非易失性、讀寫速度快、壽命長、功耗低、可靠性高等特點。小部分 FeRAM 產品已實現量產。但 FeRAM 存儲密度較低，容量有限，無法完全取代 DRAM 與 NANDFlash，在對容量要求不高、讀寫速度要求高、讀寫頻率高、使用壽命要求長的場景中擁有發展潛力。國際廠商英飛凌、富士通等已實現 FeRAM 在汽車電子的應用，國內廠商匯峰已實現 130nm 制程 FeRAM 產品小批量量產。 目前FeRAM 技術瓶頸尚在，仍需繼續研究突破。

四種新型存儲優勢各異。 持久性方面， MRAM、 FeRAM 較高； 存儲密度方面， FeRAM 較低， MRAM、 PCM、 RRAM 較高； 讀寫速度方面， FeRAM最快； 讀寫功耗方面， PCM 最高， MRAM、 FeRAM、 RRAM 均較低； 抗輻射方面， 除 MRAM 外，其他均較高。

風險提示： 技術進展不及預期的風險/市場規模增速不及預期的風險

（來源：民生證券）

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