盡管大流行和貿(mào)易戰(zhàn)緊張，DRAM 市場(chǎng)在 2020 年（收入增長(zhǎng) 7%）和 2021 年（收入增長(zhǎng) 41%）全年都在增長(zhǎng)。大多數(shù)細(xì)分市場(chǎng)的生產(chǎn)受限和需求強(qiáng)勁增長(zhǎng)是 DRAM 業(yè)務(wù)繁榮的關(guān)鍵因素。按收入計(jì)算，DRAM 仍然是最大的內(nèi)存細(xì)分市場(chǎng)：2021 年，它達(dá)到了 940億美元，占整個(gè)獨(dú)立內(nèi)存市場(chǎng)的 56% 以上。

在半導(dǎo)體短缺和各種全球挑戰(zhàn)下，DRAM 預(yù)計(jì)將在 2022 年繼續(xù)增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率約為 25%。這還不是全部，因?yàn)?DRAM 將在長(zhǎng)期內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)張，并有望在 2027 年增長(zhǎng)到超過(guò)1500億美元，2021-2027 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 9%。但是，周期性仍將存在。

DRAM 是一個(gè)高度集中的市場(chǎng)，三星（韓國(guó)）、SK 海力士（韓國(guó)）和美光（美國(guó)）這三個(gè)主要參與者共同占據(jù)了整個(gè)市場(chǎng)的 93% 以上。中國(guó)臺(tái)灣公司（南亞、華邦、力晶）合計(jì)占據(jù)近 5% 的市場(chǎng)份額。來(lái)自中國(guó)大陸的新興 DRAM 廠商CXMT也一直在年銷售 DRAM 產(chǎn)品，他們的目標(biāo)是針對(duì)客戶端 PC 和消費(fèi)應(yīng)用的中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

Yole SystemPlus 最近通過(guò)對(duì)尖端 LPDDR5 內(nèi)存的廣泛分析揭示了競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的格局。他們指出，伴隨著改進(jìn)的電源管理以及小型晶體管工藝技術(shù)而提高的性能和效率，可以減少智能手機(jī)的電池消耗。報(bào)道指出，LPDDR5 器件的速度達(dá)到 6,400Mbps，幾乎是上一代低功耗 DRAM 存儲(chǔ)器的 1.5 倍。LPDDR5 封裝通常與片上系統(tǒng)處理器配對(duì)，安裝在片上系統(tǒng) (SoC) 封裝上，以與智能手機(jī)處理器建立直接和快速的通信。SK hynix 的 LPDDR5 8Gb 裸片是使用 1y 技術(shù)節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)的，美光的 12Gb 裸片也是如此，而美光的 16Gb 裸片是使用 1Dz 技術(shù)節(jié)點(diǎn)制造的。

三星使用 1Dz 技術(shù)節(jié)點(diǎn)制造其 16Gb 裸片，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，裸片密度有所提高。隨著每個(gè)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步，DRAM 單元尺寸的縮放變得越來(lái)越復(fù)雜；因此，三星通過(guò)采用 EUV 光刻技術(shù)來(lái)縮小 DRAM 單元，同時(shí)減少圖案化步驟，從而使其制造工藝與眾不同。

與美光和 SK hynix 的 LPDDR5 內(nèi)存相比，三星使用的 LPDDR5 1Dz 單元設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)槿巧a(chǎn)的內(nèi)存單元比其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相對(duì)更小。較小的 DRAM 單元會(huì)產(chǎn)生更密集的內(nèi)存裸片，這可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存裸片尺寸減小，而不會(huì)影響裸片容量。芯片微縮對(duì)于提高生產(chǎn)力很重要，并且是大批量制造所必需的，以滿足對(duì)低功耗 DRAM 內(nèi)存的需求，同時(shí)減少智能手機(jī)板上的內(nèi)存封裝占用空間。

據(jù)估計(jì)，三星每 300 毫米晶圓生產(chǎn)超過(guò) 2,000GB 的 1Dz LPDDR5。三星尖端的 LPDDR5 工藝結(jié)合了單元微縮和 EUV 光刻工藝，從而實(shí)現(xiàn)了更密集的內(nèi)存和更少的制造步驟，從而保持了成本競(jìng)爭(zhēng)力。

DRAM 可擴(kuò)展性預(yù)計(jì)將在幾年前結(jié)束，但新的技術(shù)解決方案已實(shí)現(xiàn)第三代 10nm 級(jí) (1z) 的開發(fā)，甚至可能更遠(yuǎn)?？傮w而言，DRAM 擴(kuò)展非常具有挑戰(zhàn)性，并且與過(guò)去相比正在放緩——無(wú)論是在位密度 (Gb/mm 2 ) 還是每比特成本 ($/Gb) 方面——但它一直在向前發(fā)展！盡管技術(shù)挑戰(zhàn)不斷增加，但 DRAM 將繼續(xù)成為主力內(nèi)存技術(shù)，因?yàn)樾碌募夹g(shù)解決方案（例如 EUV 光刻、混合鍵合和 3D DRAM）將實(shí)現(xiàn)持續(xù)的密度擴(kuò)展和性能增長(zhǎng)。

如今，人們一致認(rèn)為平面縮放——即使是通過(guò)光刻 EUV 工藝——也不足以為整個(gè)未來(lái)十年提供所需的位密度改進(jìn)。該行業(yè)迫切需要材料和架構(gòu)的突破，以實(shí)現(xiàn) DRAM 的進(jìn)一步擴(kuò)展，以降低成本、最小化功耗并提高速度。因此，單片 3D DRAM（相當(dāng)于 3D NAND 的 DRAM）已經(jīng)被主要設(shè)備供應(yīng)商和領(lǐng)先的 DRAM 制造商考慮作為長(zhǎng)期擴(kuò)展的潛在解決方案。Yole 的分析師認(rèn)為，這種新穎的 3D 技術(shù)可能會(huì)在 2029-2030 年期間進(jìn)入市場(chǎng)。

處理器-內(nèi)存接口也在迅速發(fā)展，以滿足新興數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的需求：內(nèi)存大小必須增加，內(nèi)存和 CPU 之間的帶寬也必須增加。各種接口和協(xié)議正在開發(fā)中，其中包括最近由 JEDEC（2022 年 1 月）發(fā)布的 HBM3 和作為“遠(yuǎn)存儲(chǔ)器”互連而獲得采用的 CXL。主要廠商（例如三星-賽靈思、SK 海力士）最近將新型內(nèi)存處理技術(shù)引入市場(chǎng)，以克服所謂的“內(nèi)存墻”。

總體而言，DRAM 內(nèi)存生態(tài)系統(tǒng)中的主要公司正在探索各種不同的解決方案，我們相信技術(shù)挑戰(zhàn)不會(huì)阻止 DRAM 的進(jìn)步，盡管由于需要進(jìn)一步的創(chuàng)新和投資而存在放緩的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)前在存儲(chǔ)器市場(chǎng)，能和DRAM“分庭抗禮”的NAND Flash早在2015年就已步入3D堆疊，并開始朝著100+層堆疊過(guò)渡，然而DRAM市場(chǎng)卻仍處于探索階段，為了使3D DRAM能夠早日普及并量產(chǎn)，各大廠商和研究院所也在努力尋找突破技術(shù)。

HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬存儲(chǔ)器）技術(shù)可以說(shuō)是DRAM從傳統(tǒng)2D向立體3D發(fā)展的主要代表產(chǎn)品，開啟了DRAM 3D化道路。它主要是通過(guò)硅通孔（Through Silicon Via, 簡(jiǎn)稱“TSV”）技術(shù)進(jìn)行芯片堆疊，以增加吞吐量并克服單一封裝內(nèi)帶寬的限制，將數(shù)個(gè)DRAM裸片垂直堆疊，裸片之間用TVS技術(shù)連接。從技術(shù)角度看，HBM充分利用空間、縮小面積，正契合半導(dǎo)體行業(yè)小型化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，并且突破了內(nèi)存容量與帶寬瓶頸，被視為新一代DRAM解決方案。

除了HBM外，研究者們也開始在無(wú)電容技術(shù)方面下功夫，試圖借此解決目前的難題。其實(shí)關(guān)于無(wú)電容，早有Dynamic Flash Memory、VLT技術(shù)、Z-RAM等技術(shù)出現(xiàn)，但日前，美國(guó)和比利時(shí)的獨(dú)立研究小組IMEC在2021 IEDM 上展示了一款全新的無(wú)電容器 DRAM，這種新型的DRAM基于 IGZO（indium-gallium-zinc-oxide）可以完全兼容 300mm BEOL （back-end-of-line），并具有>103s保留和無(wú)限 (>1011) 耐久性。

據(jù)介紹，這些結(jié)果是研究人員在為單個(gè) IGZO 晶體管選擇最佳集成方案后獲得的，而這個(gè)最佳集成方案就是具有掩埋氧隧道和自對(duì)準(zhǔn)接觸的后柵極集成方案。使用這種架構(gòu)后，IGZO TFT（thin-film transistors）的柵極長(zhǎng)度可以縮小到前所未有的 14nm，同時(shí)仍然保持大于100s的保留。通過(guò)EOT（equivalent oxide thickness）縮放控制閾值電壓 (Vt )、改善接觸電阻和減小IGZO層厚度，可以進(jìn)一步優(yōu)化小柵極長(zhǎng)度下的保持率。當(dāng)后者的厚度減小到 5nm 時(shí)，甚至可以省略O(shè)2 中的氧隧道和退火步驟，從而大大簡(jiǎn)化了集成方法。

(a) 示意圖和 (B) 具有氧隧道和 14nm 柵極長(zhǎng)度的后柵極架構(gòu)中單個(gè) IGZO 晶體管的 TEM 圖像

其實(shí)，在2020 IEDM上，imec就首次展示過(guò)這種無(wú)電容DRAM，并在當(dāng)時(shí)掀起了一陣熱議。2020年消息顯示，當(dāng)時(shí)這款DRAM包括兩個(gè)IGZO-TFTs并且沒(méi)有存儲(chǔ)電容，而這種2T0C(2晶體管0電容)DRAM架構(gòu)還有望克服經(jīng)典1T1C)（1晶體管1電容）DRAM 密度縮放的關(guān)鍵障礙，即小單元中 Si 晶體管的大截止電流尺寸，以及存儲(chǔ)電容器消耗的大面積。但在去年的“概念性”演示中，IGZO TFT 并未針對(duì)最大保留率進(jìn)行優(yōu)化，并且缺少對(duì)耐久性（即故障前的讀/寫循環(huán)次數(shù)）的評(píng)估。而今年這款無(wú)電容DRAM顯然在去年的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，保留率和耐久性都有了提高。

總的來(lái)說(shuō)，今年新推出的新型DRAM 通過(guò)對(duì)基于 IGZO 的 DRAM架構(gòu)和集成的改進(jìn)，使2T0C DRAM 存儲(chǔ)器具有>10 3保留、無(wú)限耐久性和柵極長(zhǎng)度縮小至 14nm。更重要的是，這些突破性的成果都使得無(wú)電容IGZO-DRAM 成為實(shí)現(xiàn)高密度 3D DRAM 存儲(chǔ)器的合適候選者。