半导体系列6-半导体行业研究：集成电路之数字芯片中的存储芯片

导语--上篇文章我们提到数字芯片是处理0和1离散信号的芯片，它可以进一步细分为承担计算功能的逻辑芯片、承担存储功能的存储芯片以及将运算、存储等功能集成于一个芯片之上的微控制单元（MCU）。我们已经对承担计算功能的逻辑芯片做了介绍，本篇文章将继续我们的旅程，对承担存储功能的存储芯片做一个梳理。

通过上篇文章我们也对集成电路细分品类之多有了一个直观的认识，存储芯片同样也种类繁多，开宗明义，我们首先将存储芯片的分类总结为如下的思维导图。

存储芯片，即半导体存储器（其他类型的存储器包括光学存储器，如CD、DVD等，以及磁性存储器，如磁盘、软盘、机械硬盘等），是半导体的一大重要分支。按数据是否易失可将存储芯片分为非易失性存储芯片与易失性存储芯片。进一步地，易失性存储芯片可分为动态随机访问存储器（DRAM）与静态随机访问存储器（SRAM），非易失性存储器则可分为ROM与FLASH芯片，FLASH又可进一步细分为NOR FLASH与NAND FLASH。根据IC insights的统计数据，2021年以销售额口径计算的市场规模NAND FLASH占比为56%，DRAM为41%，其它为3%。

1. RAM（Random Access Memory，随机存取存储器），为易失性存储芯片，易失性存储器的特点是断电丢失数据，例如我们平时使用word或excel时如果没有点保存，突然关机或断电后再重启时文件便会丢失，就是因为我们没点保存时数据是存储在电脑内存中，只有我们点击保存后，数据才会保存在硬盘中，而电脑内存使用的就是DRAM。那么为什么在有了硬盘的基础上还会有内存，内存的意义在于如果计算机的每一次运算都需要直接从硬盘中抓取数据，会极大降低计算机的运行效率，而RAM存储单元的内容可按照需要随机取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关。易失性存储器断电丢失数据的根本原因在于其存储方式：

(1) DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器）的每一个bit cell（存储单元）由一个电容与一个晶体管两个元器件组成，晶体管起开关作用，DRAM的存储原理是通过电容充放电后的电势高低代表0和1，从而起到存储功能，而电容在断电的情况下会漏电，存储信息会因为电容的漏电而无法识别

(2) SRAM（Static Random Access Memory，静态随机存取存储器）的存储单元使用六个晶体管进行存储，同样具有易失的特点。

(3) DRAM与SRAM的主要区别是：

DRAM所使用的电容容量极小，电子仅能保存几毫秒的时间，为了使电子不丢失，每隔几毫秒就要充电刷新一次，这就是DRAM名称中动态（Dynamic）的由来。而SRAM则不需要刷新，因为只要不断电，晶体管的数据就不会继续保存数据。引入刷新所需的额外电路和时序会产生一些 复杂情况，因此DRAM的读写速度比SRAM慢，且使用的功率比SRAM要高得多。

从结构上讲，SRAM需要更多的晶体管才能存储一定数量的内存，由于内存模块中的晶体管数量决定了其容量，因此DRAM模块的容量几乎是SRAM模块容量的六倍。

容量的不同最终其实归结为价格，由于较低的价格，尽管与SRAM相比速度较慢功耗更高，但DRAM已成为计算机主存储器的主流，2020年DRAM下游需求中，智能手机、服务器、PC机占39.7%、34.9%与12.6%，三者合计90%。SRAM适用于速度比容量更重要的场景中，如处理器的告诉缓存，低功耗也意味着发热量更小。

全球DRAM产品目前由三星、SK海力士与美光垄断，三者市场份额占到95%，三星于2020年上半年完成10nm制程DRAM的出货，为业内最高水平。国内DRAM领域代表企业有长鑫存储（IDM）与兆易创新（Fabless），兆易创新2021年首款DRAM芯片实现量产，主要面向工控等利基市场，长鑫存储的工艺制程正处于16nm-19nm阶段，相比三巨头落后约4年-5年。

2. 非易失性存储器包括FLASH（FLASH EEPROM，又称闪存，快闪）和ROM。

(1) ROM全称Read Only Memory，顾名思义，它是一种只能读出事先所存的数据的固态半导体存储器。ROM中所存数据稳定，一旦存储数据就再也无法很方便地将之改变或者删除，断电后所存数据也不会消失。其结构简单，因而常用于存储各种固化程序和数据。此后，ROM延伸进化，衍生出多种类型（有些可以进行修改），进化史为ROM->PROM->EPROM->EEPROM。

ROM最初不能编程，是一种线路最简单半导体电路，通过掩模工艺，一次性制造，其中的代码与数据将永久保存，不能进行修改。在微机的发展初期，BIOS都存放在ROM（中。如果发现内部数据有错，则只有舍弃不用，重新订做一份。

此后出现了PROM（Programable ROM，可编程只读存储器），可自己写入一次，所以也被称为“一次可编程只读存储器”(One Time Progarmming ROM，OTP-ROM)。PROM在出厂时，存储的内容全为1，用户可根据需要将其中的某些单元写入0(部分的PROM在出厂时全为0，则用户可将其中的部分单元写入1)， 以实现对其“编程”的目的。PROM的典型产品是双极性熔丝结构，如果想改写某些单元，则可以给这些单元通以足够大的电流，并维持一定的时间， 熔断原来的熔丝已达到改写某些位的效果。另一类经典的PROM为使用肖特基二极管的PROM，出厂时其中的二极管处于反向截止状态，修改可用大电流的方法加反相电压造成其永久性击穿即可。PROM一旦写入后无法修改，若出现错误，已写入的芯片只能报废。

EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦写可编程只读存储器），其特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，但缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间，不太方便。

EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，电可擦除可编程只读存储器），其最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入，缺点则是价格很高，写入时间很长，写入很慢。EEPROM的擦除以Byte为最小修改单位，不必将资料全部洗掉才能写入。EEPROM在写入数据时，仍要利用一定的编程电压，此时，只需用厂商提供的专用刷新程序就可以改写内容，因此它属于双电压芯片。 借助于EEPROM芯片的双电压特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能，在升级时，把跳线开关打至“ON”的位置，即给芯片加上相应的编程电压，就可以方便地升级；平时使用时，则把跳线开关打至“OFF”的位置，防止病毒对BIOS芯片的非法修改。

(2) FLASH属于广义的EEPROM，因此也称FLASH ROM，它属于EEPROM的改进产品，结合了ROM和RAM的长处。不仅具备电子可擦除可编辑（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据。Flash属于真正的单电压芯片，它的读和写操作都是在单电压下进行。它的最大特点是必须按块(Block或Sector)擦除(每个区块的大小不定，不同厂家的产品有不同的规格)， 而EEPROM则可以一次只擦除一个字节(Byte)。FLASH的电路结构较简单，同样容量占芯片面积较小，成本自然比EEPROM低，因此适合用于做程序存储器。

FLASH采用MOSFET来存放数据：FLASH的unit cell（存储单元）是一个含有源极、漏极与栅极的MOSFET器件。在向栅极施加正向偏压时，电子在隧穿效应下从隧穿层进入浮栅存储起来，阈值电压较高，对应逻辑为0。在向栅极施加负向偏压时，浮栅中的电子退出隧穿层，阈值电压较小，对应逻辑为1，这个过程就就完成了信息的存储。即使电流消失，阻挡层与隧穿层也能保证浮栅中的电子不丢失，从而保证数据的完整性。FLASH相比DRAM的优点在于断电不失数据，且成本较低，缺点在于由于每一次写入数据均需要擦除一次，使得写入速度慢于DRAM。FLASH存储芯片可进一步细分为NAND FLASH与NOR FLASH。

NAND FLASH与NOR FLASH的区别是：

存储结构不同，闪存将信息存储在由浮栅晶体管制成的存储单元中。这些技术的名称解释了存储器单元的组织方式。在NOR闪存中，每个存储器单元的一端连接到源极线，另一端直接连接到类似于NOR门的位线。在NAND闪存中，几个存储器单元（通常是8个单元）串联连接，类似于NAND门。

不同的结构决定了不同的性质，NOR Flash架构提供足够的地址线来映射整个存储器范围。这提供了随机访问和短读取时间的优势，这使其成为代码执行的理想选择。另一个优点是100％已知的零件寿命。缺点包括较大的单元尺寸导致每比特的较高成本和较慢的写入和擦除速度。相比之下，与NOR闪存相比，NAND闪存具有更小的单元尺寸和更高的写入和擦除速度。缺点包括较慢的读取速度和I / O映射类型或间接接口，这更复杂并且不允许随机访问。此外，NAND Flash中的代码执行是通过将内容映射到RAM来实现的，这与直接从NOR Flash执行代码不同。NAND的另一个主要缺点是存在坏块。NAND闪存通常在部件的整个生命周期内出现额外的位故障时具有98％的良好位，因此，器件内需要ECC（Error Correcting Code，错误检查和纠正）功能。

NOR主要应用于早期电脑与老式功能机，这些设备存储器的主要需求在于读取系统程序，读取速度快的NOR占优，但随着智能手机的不断发展，NAND写入速度快的优势显现，NOR的市场规模不断萎缩，直到2016年后TWS耳机的兴起NOR才逐渐走出谷底。NAND近年来正在从2D向3D堆叠技术发展，不同于以往将存储单元直接平铺电路板上，而是像建高楼一样，将存储单元层层平铺向三维发展。3D NAND将思路从提高制程工艺转到在一定面积堆叠更多的存储单元以提高容量。

全球NAND FLASH芯片目前由三星、铠侠、SK海力士、西部数据与美光垄断，CR5达到90%以上。国内NAND领域龙头企业为长江存储，长江存储采用设计、制造、封测一体化的IDM模式，于2020年成功研发中国首款128层3D NAND闪存，并于2021年下半年实现量产，当前三星、美光、SK海力士等第一梯队厂商正在研发176层3D NAND闪存。NOR相比NAND市场规模较小，因此实力较强的存储芯片厂商往往放弃这一领域，为国内企业留出了一定的空间，台湾企业旺宏电子、华邦电子与大陆企业兆易创新的市场份额合计占到70%，兆易创新的市场份额约20%。

至此我们已经对存储芯片做了一个简单的梳理，下篇文章我们将看一看数字芯片的另一种分类MCU的主要内容，让我们下篇文章见吧。