存储芯片

存储芯片，又称为半导体存储器，是一种能存储大量二值信息的半导体器件。在电子计算机和其他众多数字系统的工作过程中，都需要对大量的数据进行存储，因此存储器也就成为了这些系统不可缺少的组成部分。^[2]

存储芯片存在多种类型，按照读写功能可分为随机读写存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类，按照用途/工作方式可以分为主存储器（内部存储）和辅助存储器（外部存储）。^[3]

半导体存储行业自1965年由IBM公司引领DRAM技术研发，罗伯特·登纳德博士发明的DRAM开启了芯片存储器时代。1970年，IBM用存储芯片替代磁芯。英特尔于1971年研发DRAM和EPROM。1984年，东芝提闪存概念，1988年英特尔开发NOR Flash，1989年东芝发布NAND Flash。^[4]21世纪见证了U盘和微型存储卡普及，^[5]Pentium 4时期英特尔采用DDR内存。双通道技术应对高频率CPU需求，JEDEC推出DDR2应对内存频率瓶颈。DDR3自2007年长期主导市场直至DDR4成为主流。^[6]在1997年开发MLC闪存颗粒后，英特尔又于2009年开发TLC闪存颗粒，而在2010年，NAND Flash市场受智能手机和平板的需求而高速增长。^[7]DDR4 SDRAM于2014年首次亮相。^[8]SK海力士第二代HBM产品HBM2于2018年发布。^[7]DDR5 SDRAM于2020年正式定型。^[8]2022年，美光推出176层QLC闪存SSD硬盘，容量达2TB。^[9][10]

早期计算机的存储器是用各种磁芯制成的，从1950年一直使用到1970年，才被半导体存储芯片淘汰。磁芯存储器是由美籍华人王安博士于1948年在哈佛大学计算机实验室做研究时发明的。1951年，王安以仅有的600美元创办了王安实验室（Wang Laboratories）。1956年，王安将磁芯存储器的专利权卖给国际商业机器公司。^[11]

最初的磁芯存储器只有几百个字节的容量。它有两大缺点：一是大规模量产困难。二是体积大耗电量也大。1966年，时年34岁的登纳德（Robert Dennard）提出了用金属氧化物半导体（MOS）晶体管，来制作存储器芯片的设想。同年，研发成功一个晶体管加一个电容的动态随机存取存储器（DRAM），并在1968年获得专利。^[12][13]

1968年成立的英特尔把存储芯片的开发定为公司的发展方向。当时的芯片工艺主要有双极型管和场效应（MOS）管，不过并不清楚哪一种工艺生产的芯片更好，于是英特尔成立了两个研发小组。1969年4月，双极型管小组推出了64比特容量的静态随机存储器（SRAM）芯片C3101，只能存储8个英文字母。这是英特尔的第一个产品。1969年7月，场效应管小组推出了256比特容量的静态随机存储器芯片C1101。这是世界第一个大容量SRAM存储器。随后，英特尔研究小组不断解决3英寸晶圆厂生产工艺中的问题，于1970年10月，推出了第一个动态随机存取存储器芯片C1103，采用12微米制程，容量有1千比特，售价仅为10美元。英特尔C1103很快就实现了大规模量产，使1比特只要1美分，这是内存芯片第一次在单位比特的价格上低于磁芯存储器，它标志着动态随机存取存储器内存时代的到来。^[14]

英特尔选择了加拿大的一家小公司，微系统国际公司（MIL）合作，授权他们用1英寸晶圆生产线进行生产，每年收取100万美元的授权费用。C1103的用户主要包括惠普公司和数字设备（DEC）公司。1972年，凭借1K动态随机存取存储器取得的巨大成功，英特尔已成为一家拥有1000名员工，年收入超过2300万美元的芯片新贵。同年，国际商业机器公司在新推出的大型计算机上，也开始使用动态随机存取存储器。随着国际商业机器公司个人计算机产品销量急速增加，C1103也成为全球最畅销的半导体芯片。到了20世纪70年代中期，动态随机存取存储器几乎成为所有计算机的标准配置，英特尔占据了全球80%以上的动态随机存取存储器市场份额。^[15]

1973年石油危机爆发后，英特尔在动态随机存取存储器芯片领域的份额快速下降。此时，德州仪器和日本厂商先后抓住机会加入市场。早在1970年英特尔发布C1103后，德州仪器便对其进行拆解仿制，通过逆向工程，研究动态随机存取存储器工艺结构。1971年，推出了2K产品。后来创办台积电的张忠谋于1972年被提拔为德州仪器副总裁，他开创了动态随机存取存储器定期降价策略，被誉为“掀起全球半导体大战之人”。1973年，德州仪器推出动态随机存取存储器，成为英特尔的强劲对手。^[15]

1969年，德州仪器半导体中心的首席工程师离职后在美国东部马萨诸塞州成立了莫斯特卡（Mostek）公司。1973年，莫斯特卡公司研制出16针脚的低成本MK4096芯片。凭借低成本，莫斯特卡逐渐在内存市场取得优势。而英特尔此时正将精力放在开发8080处理器芯片上。1976年莫斯特卡推出了采用双层多晶硅栅工艺的MK4116，容量提高到16K。这一产品帮助莫斯特卡击败英特尔，占据了全球75%的动态随机存取存储器市场份额。^[16]

1978年，从莫斯特卡离职的3名设计工程师，创办了美光科技（Micron）。美光的第一份合约就是为莫斯特卡设计64K动态随机存取存储器。到20世纪70年代后期，莫斯特卡一度占据了全球动态随机存取存储器市场85%的份额。但是，随着日本厂商发起动态随机存取存储器芯片价格战，美国厂商就撑不住了。1979年，陷入困境的莫斯特卡被美国联合技术公司（UTC）收购，后来又转卖给了意法半导体。^[16]

日本芯片产业开始于1963年。日本质优价廉的动态随机存取存储器在全球市场所占的份额不断增加，获得了非常大的成功。尽管日本可以生产动态随机存取存储器芯片，但是最关键的制程设备和生产原料要从美国进口。为了攻破技术壁垒，1976年3月，日本政府启动了“动态随机存取存储器制法革新”国家项目。由日本政府出资320亿日元，日立（Hitachi）、三菱（Mitsubishi）、富士通（Fujitsu）、东芝（Toshiba）和日本电气（NEC）五大公司联合筹资400亿日元，总计投入720亿日元（约2.36亿美元）为基金，由日本电子综合研究所和计算机综合研究所牵头，组建“VLSI联合研发体”，攻坚超大规模集成电路动态随机存取存储器的技术难关（图3.12）。1980年，日本“VLSI联合研发体”宣告完成为期4年的技术攻关项目，研发的主要成果包括各型电子束曝光装置，采用紫外线、X射线、电子束的各型制版装置、干式蚀刻装置等，尼康和佳能研制的光刻机超越了美国同类产品，各企业的技术整合，保证了动态随机存取存储器量产良率高达80%，远超美国的50%，构成了压倒性的总体成本优势，奠定了当时日本在动态随机存取存储器市场的霸主地位。日本存储芯片企业乘胜追击挑起价格战，动态随机存取存储器单片价格一年内暴跌了90%。^[17][18]1985年，东芝率先研发出1M动态随机存取存储器，一举超越美国，成为当时世界上容量最大的动态随机存取存储器。1986年，日本厂商在世界动态随机存取存储器市场所占的份额达到了80%。在很长一段时间，全球半导体企业排名前三位都是由日本电气、东芝和日立包揽，而美国企业的份额已不足20%。^[19]

1985年6月，美国半导体公司联合起来，指控日本不公正贸易行为，要求美国政府制止日本公司的倾销行为。1985年10月，美国商务部制定了一项法案，指控日本公司倾销动态随机存取存储器芯片。1986年9月，日本通产省与美国商务部签署了第一次《美日半导体协议》，标志着美国从全力扶植，转向全面打压日本半导体经济。1987年4月，美国宣布对日本3.3亿美元动态随机存取存储器芯片加征100%关税。^[20]

韩国借鉴了日本模式，举全国力量发展半导体核心技术。韩国政府在1975年公布了扶持半导体产业的6年计划，强调实现电子配件及半导体生产的本土化。这无疑为未来韩国半导体产业的自主发展奠定了坚实的基础。1986年10月，韩国政府执行“VLSI共同开发技术计划”，韩国政府出资，由韩国电子通信研究所牵头，联合三星、乐金、现代三大集团，以及韩国6所大学，联合攻关动态随机存取存储器的核心技术。随后的3年内，该计划共投入1.1亿美元，政府承担57%的研发经费。韩国动态随机存取存储器公司开始从仿制、研发走向自主创新。^[21]

三星于1988年完成了4兆比特动态随机存取存储器研发，仅比日本晚6个月。1992年，三星完成全球第一个64兆比特动态随机存取存储器研发。1993年超越东芝，成为全球动态随机存取存储器市场的领军企业。1994年，三星将研发投入提升至9亿美元，开发成功256兆比特动态随机存取存储器。1996年，三星完成全球第一个1吉比特动态随机存取存储器（DDR2）研发。至此，三星在存储芯片领域一直处于世界领跑者地位。2002年，三星的NAND闪存位居世界榜首。2006年与2007年分别在世界上率先研制成功50纳米级动态随机存取存储器和30纳米级NAND等，三星在存储器领域的占有率超过30%，成为业界的强者。位居世界榜首。2006年与2007年分别在世界上率先研制成功50纳米级动态随机存取存储器和30纳米级NAND等，三星在存储器领域的占有率超过30%。2017年，受益于存储芯片价格的提升，三星营收反超英特尔，位居全球半导体榜首。^[22]

MLC闪存的开发最早由英特尔在1997年成功实现。^[9]DDR SDRAM（DDR1）于2000年推出，与其前身SDR SDRAM（单速率SDRAM）相比有了显著的改进。2001年，Intel押宝RDRAM内存失败，VIA和AMD主导的DDR内存大获全胜。^[6]DDR2 SDRAM 于2003年推出，在DDR1的基础上进一步提高了速度和效率。与DDR1相比，DDR2的预取缓冲区大小增加了一倍，从而可以提高数据吞吐量。2007年发布的DDR3 SDRAM代表着内存技术的又一次重大进步。^[9]

与DDR2相比，DDR3进一步提高了数据传输速率，同时降低了功耗。2009年，TLC架构正式问世，代表一个存储单元可存放三个比特，进一步大幅降低成本。2010年NAND Flash市场的主要成长驱动力是来自于智能型手机和平板计算机，都必须要使用SLC或MLC芯片。^[9]2013年，SK海力士于在世界上首次开发成功HBM DRAM。^[7]DDR4 SDRAM于2014年首次亮相。^[8]SK海力士第二代HBM产品HBM2于2018年发布。^[7]DDR5 SDRAM于2020年正式定型。^[8]2022年，美光发布了2400系列SSD硬盘，首发了176层QLC闪存容量有512GB、1TB及2TB三种。^[10]2023年4月20日，SK海力士开发出世界首款12层堆叠HBM3 DRAM。^[23]

DDR6以及LPDDR6标准将会完全采用CAMM2形态，取代使用多年的SO-DIMM和DIMM内存标准。下一代DDR6内存最低频率将达到8800MHz，最高可提高至17.6GHz，理论最高可以推进至21GHz，远超DDR4和DDR5内存。^[24]

按照用途/工作方式可以分为主存储器（内部存储）和辅助存储器（外部存储）。主存储器是指CPU能直接访问的，有内存、一级/二级缓存等，；辅助存储器包括软盘、硬盘、磁盘阵列等，CPU不能像访问内存那样，直接访问外存，外存要与CPU或I/O设备进行数据传输，必须通过内存进行。^[3]

随机存取存储器（RAM）使用过程中可随时写入信息，又可随时读出信息，常用于存放数据，故又称为数据存储器。随机存取存储器分为双极型和MOS（metal-oxide-semiconductor，金属氧化物半导体）型两种。双极型RAM的读写快，但功耗大、集成度低，因而在微型计算机中几乎都用MOS型。^[25]

只读存储器（ROM）是一种存储固定信息的存储器，在正常工作状态下只能读取数据，不能即时修改或重新写入数据。^[26]

只读存储器电路结构简单，且存放的数据在断电后不会丢失，特别适合于存储永久性的、不变的程序代码或数据，比如计算机中的自检程序就是固化在ROM中的。ROM的最大优点是具有不易失性。^[26]

只读存储器是一种在使用过程中只能读出存储在存储器中的信息而不能用通常的方法将信息写入的存储器。它经常存放编写好的程序，因此又将其称为程序存储器。只读存储器又可以分为以下几种。^[27]

首先已NAND闪存为例，介绍ROM的工作原理基于电荷在存储单元中的存储和释放。每个存储单元称为一个存储单元或一个闪存单元。这些存储单元按矩阵排列，每个单元存储一个或多个位的信息。当写入数据时，通过在NAND存储单元中注入电子，将存储单元的状态从擦除态变为写入态。擦除态和写入态的不同状态表示数据的0和1。而在读取数据时，通过测量存储单元中的电荷状态来确定存储的数据。NAND闪存通过擦除和写入的操作实现数据的读写，而这种工作原理使得NAND闪存具有随机访问的能力，可以迅速读取和写入数据。^[29]

静态RAM的基本存储电路是触发器，通常由六只晶体管组成（如图1所示）。图中T3和T4为负载管(相当于两只电阻)，T5和T6为门控管，T1和T2为存储管。工作原理如下：^[30]

写入过程：存储器地址编码经X和Y地址译码器（图中未画出）译码后，使图中的X地址选择线和Y地址选择线变为高电平，故T5、T6、T7和T8通导。若为写“1”，则数据总线上的“1”信号经倒相电路后使变为高电平，变为低电平，经通导管T5、T6、T7和T8的传导作用而导致A点为高电平，B点为低电平（即T1管截止，T2管通导），表示“1”

信息被写人；若为写“0”，则点为低电平，为高电平，同样经T5、T6、T7和T8使A点为低电平，B点为高电平（即T1通导，T2截止），表示“0”信号被写入。^[30]

读出过程：在读出操作时，X地址选择线和Y地址选择线变为高电平，故T5、T6、T7和T8通导。若存储电路中原存“1”（即A点为高电平，B点为低电平），则A点和B点电平经T5、T6、T7和T8通导管传送到点和点，其中点的低电子平经读出放大器输出高电平逻辑“1”，表示存储电路中的“1”信息被读出；若存储电路中原存“0”（即A点为

低电平，B点为高电平），则可使点变为高电平，经读出放大器器倒相后输出逻辑“0”表示“0”信号被读出。^[30]

无论读“1”还是读“0”，由于每次读出时只是把A点和B点电平传送到点和点，并经读出放大器放大后送到数据总线，并不会改变触发器的作状态。因此，静态RAM的读出也是一种非破坏性的读出。^[30]

动态RAM基本存储电路是以电荷形式存储二进制信息的，通常可以分为单管、三管和四管动态RAM存储电路。但是，广泛应用的还是单管动态RAM存储电路，因此，下面我们以它为例来分析动态RAM存储信息的原理。^[30]

图2为一个NMOS型单管动态RAM的基本存储电路。图中C为存储电容，若Cg上存有电荷，则表示存储电路存“1”；若Cg上无电荷，则表示它存“0”，T为MOS管，用作开关。工作过程如下：

写入过程：当图6-13中存储电路被选中工作时，字线W为高电平，MOS管T通导，位线b上的写电平便可经过T管直接送入存储电容C。若位线b上的写信息为高电平“1”，则存储电容Cg被充电到这个高电平；若位线b上写信息为低电平“0”，则Cg被放电到低电平。因此，动态RAM存储信息的原理是以存储电容上是否有电荷来标志的，Cg上有电荷表示存“1”，Cg上无电荷表示存“0”。^[30]

读出过程：对存储电路读出时，字线W变为高电平，T通导，故Cg上的电压可直接送到位线b。若读“1”，则Cg上的电荷使位线b输出高电平“1”;若读“0”，则Cg上无电荷，故位线b输出低电平“0”。^[30]

从上述分析可以看出，单管动态RAM存储1位二进制信息只需一只MOS管，故它集成度高，成本低，适合制造大容量存储器。但对于未选中的为基本存储电路，由于字线W为低电平，存储“1”的那些存储电容Cg上的电荷因无泄漏通路面保持下来。但Cg上的电荷总会有泄漏存在，且电容量又小。因此，为了保持Cg上的信息，必须周期性地给存"1"的基本存储电路充电。这种充电过程称为刷新。动态RAM的刷新由刷新电路完成，刷新是周期性的，通常需要2ms的时间完成芯片上所有存储单元的刷新。^[30]

衡量半导体存储器的指标很多，如可靠性、功耗、价格、电源种类等，但从接口电路来看，最重要的指标是存储器芯片的容量和存取速度。^[31]

通常称存储器芯片所能存储的二进制数的位数（bit）为存储器的容量。存储容量越大，存储的信息就越多。例如，2048位/片，是指芯片内集成了2048位的存储器，能存储2048个位。由于在微型计算机中，数据大都是以字节（byte）为单位并行传送的，对存储器的读写也是以字节为单位寻址的，所以存储器容量又常用字节数（B)来表示。然而由于存储器芯片要适用于1位、4位、8位计算机的需要，或工艺上的原因，其数据线也有1位、4位、8位之分。例如，Intel2116为1位，2114为4位，6264为8位，所以在标定存储器容量时，经常同时标出存储单元的数目和位数。因此，存储器芯片容量=单元数X数据线位数，如Intel2114为1KX4位/片，其存储容量为4Kb。6264为8KX8位/片，其存储容量为64Kb。^[31]

位（bit）是二进制数的最基本单位，也是存储器存储信息的最小单位，8位二进制数称为一个字节（Byte)，可以由一个字节或2N个字节组成一个字（Word)。一个存储器可以容纳的二进制信息量就称为该存储器的存储容量，可以以字节（B）为单位或以字为单位来表示存储容量的大小。存储容量越大，能存储的信息就越多。存储容量这一概念反映了存储空间的大小。^[32]

存取速度是指存储器进行读写操作时的速度。它通常以纳秒（ns）为单位计量，表示从发出读写指令到完成读写操作所需的时间。存取速度的提高可以缩短计算机程序的执行时间，提高计算机的运行效率。^[33]

存储器芯片的存取速度是用存取时间衡量的。存取时间是指从CPU给出有效的存储器地址到存储器给出有效数据所需要的时间。存取时间越短，速度就越高。对于单片机，一般常用的存储器均可满足其速度要求。随着半导体技术的进步，存储器的容量越来越大，速度越来越高，而体积却越来越小。^[34]

延迟：延迟性（也称为响应时间）描述完成一个I/O（输入输出)操作所需要花费的时间，其基本上反应了一个存储系统响应读写请求的速度。其值通常以毫秒计，最快的闪存驱动器现在还不到一毫秒。在理想的情况下，延迟等待时间为零，导致应用程序读/写操作到永久存储介质可以顺利实现。但是，在物理方式情况下，每一个I/O操作都会存在一定的延迟。对于任何存储解决方案，其目的是尽量减少延迟值。毕竟，存储通常是IT基础设施的瓶颈。更低的延迟意味着更少的等待完成I/O响应，因此导致了更快的任务执行。^[35]

存储器带宽：存储器带宽是指存储器在单位时间内传输数据的能力。它通常以GB/s或MB/s为单位计量。存储器带宽的提高可以提高数据传输的速度，保证数据的流畅传输。^[33]

扩展性：扩展性是指存储器的可扩展性，即可以通过增加存储单元的数量来扩展存储容量。随着科技的不断进步，人们对存储容量的需求不断增加，因此存储器的扩展性也成为了一个重要的技术指标。^[33]

可靠性：可靠性是指存储器工作的稳定性和可靠性。在存储器的设计和制造过程中，需要考虑诸如电压波动、温度变化等因素对存储器的影响，以确保存储器的正常工作。^[33]

功耗：功耗是指存储器在工作过程中所消耗的能量。随着移动设备的普及，对于存储器功耗的要求越来越高。因此，减少存储器的功耗成为了存储器设计中的一个重要目标。^[33]

成本：成本是指存储器的制造成本。随着存储容量的增大和技术的进步，存储器的成本也在不断降低。降低成本可以使得存储器的应用更加广泛。^[33]

存储芯片是半导体产业的重要分支，约占全球半导体市场的四分之一至三分之一。^[1]

存储芯片行业上游主要为硅片、光刻胶、CMP抛光液等原材料以及光刻机、PVD、CVD、刻蚀设备、清洗设备和检测与测试设备等设备。存储芯片行业产业链上游参与者为原材料供应商和设备供应商。^[1]

存储芯片行业中游为存储芯片制造及封装，常见的存储芯片包括DRAM、NAND闪存芯片和NOR闪存芯片等。行业产业链中游参与者为存储芯片制造商，主要负责存储芯片的设计、制造和销售，芯片具有较高技术壁垒，当前中国存储芯片在各领域的应用处于起步发展阶段，全球存储芯片市场被韩国、日本、美国企业所占据。^[1]

存储芯片行业下游为消费电子、信息通信、高新科技技术和汽车电子等应用领域。行业产业链下游参与者为消费电子、信息通信、高新科技技术和汽车电子等应用领域内的企业。^[1]