存儲(chǔ)市場醞釀新一輪DRAM技術(shù)革命

AI應(yīng)用浪潮之下，高性能存儲(chǔ)器需求持續(xù)攀升，以HBM為代表的DRAM風(fēng)生水起。同時(shí)，為進(jìn)一步滿足市場需求，存儲(chǔ)廠商也在醞釀新一輪DRAM技術(shù)“革命”。

01、4F Square DRAM順利開發(fā)

韓媒消息，近期三星電子副總裁柳昌植對(duì)外表示，三星下一代DRAM技術(shù)進(jìn)展良好，除了1b DRAM正在順利量產(chǎn)之外，4F Square DRAM技術(shù)也在順利開發(fā)，計(jì)劃在2025年開發(fā)出4F Square DRAM的初始樣品。

資料顯示，4F Square是三星開發(fā)的下一代DRAM技術(shù)，其中“F”是特征尺寸（Feature Size），用以衡量DRAM單元中晶體管等組件尺寸；“Square”則用于衡量向單元中的晶體管施加電壓的組件面積大小。

業(yè)界表示，早期DRAM單元結(jié)構(gòu)是8F Square，目前商業(yè)化的DRAM主要采用6F Square，與上述兩項(xiàng)技術(shù)相比，4F Square采用垂直信道晶體管 ( VCT：vertical channel transistor ) 結(jié)構(gòu)，可將芯片表面積減少30%。DRAM密度與性能隨著單元面積的減小而提升，因此AI等應(yīng)用推動(dòng)之下，4F Square這項(xiàng)技術(shù)也逐漸受到存儲(chǔ)大廠的青睞。

此前三星表示，許多公司正努力將技術(shù)過渡到4F Square VCT DRAM，不過需要克服一些困難，包括開發(fā)氧化物溝道材料和鐵電體等新材料等。業(yè)界認(rèn)為，2025年三星4F Square DRAM的初始樣品或?yàn)閷?duì)內(nèi)發(fā)布，另一家半導(dǎo)體廠商東京電子預(yù)估，采用VCT和4F Square技術(shù)的DRAM將在2027年至2028年出現(xiàn)。

除此之外，早前媒體還報(bào)道，三星計(jì)劃應(yīng)用混合鍵合（Hybrid Bonding）技術(shù)支持4F Square DRAM的生產(chǎn)，混合鍵合是下一代封裝技術(shù)，指的是芯片垂直堆疊，能提高單元密度，進(jìn)而提高性能，該技術(shù)也將對(duì)HBM4以及3D DRAM帶來影響。

02、HBM4呼之欲出

AI時(shí)代下，HBM尤其是HBM3E在存儲(chǔ)器市場發(fā)展如魚得水，引發(fā)三大DRAM原廠爭相布局。同時(shí)，新的較量也開始打響，主要圍繞下一代HBM4技術(shù)展開。

今年4月SK海力士已經(jīng)宣布將攜手臺(tái)積電共同開發(fā)HBM4。據(jù)悉，兩家公司將首先致力于針對(duì)搭載于HBM封裝內(nèi)最底層的基礎(chǔ)裸片（Base Die）進(jìn)行性能改善。HBM是將多個(gè)DRAM裸片（Core Die）堆疊在基礎(chǔ)裸片上，并通過TSV技術(shù)進(jìn)行垂直連接而成；為專注下一代HBM4技術(shù)的開發(fā)，三星已經(jīng)成立了新的“HBM開發(fā)團(tuán)隊(duì)”。7月，三星電子存儲(chǔ)部門新事業(yè)企劃組組長Choi Jang-seok透露，公司正在開發(fā)單堆棧達(dá)48GB的大容量HBM4內(nèi)存，預(yù)計(jì)明年投產(chǎn)。近期，媒體報(bào)道，三星計(jì)劃使用4nm先進(jìn)制程工藝生產(chǎn)HBM4 邏輯裸晶（Logic Die）；美光則規(guī)劃2025年—2027年推出HBM4 ，而到2028年則正式步入HBM4E。

除了生產(chǎn)工藝之外，DRAM原廠針對(duì)未來HBM，還在積極布局混合鍵合技術(shù)。相較現(xiàn)有鍵合工藝，混合鍵合無需在DRAM內(nèi)存層間添加凸塊，而是將上下兩層直接銅對(duì)銅連接，可顯著提高信號(hào)傳輸速率，更適應(yīng)AI計(jì)算對(duì)高帶寬的需求。

今年4月，媒體報(bào)道三星成功制造了基于混合鍵合技術(shù)的16層堆疊HBM3內(nèi)存，該內(nèi)存樣品工作正常，未來16層堆疊混合鍵合技術(shù)將用于HBM4量產(chǎn)；SK海力士計(jì)劃于2026年在其HBM生產(chǎn)中采用混合鍵合；此外，美光也正著手開發(fā)HBM4，會(huì)考慮采用包括混合鍵合在內(nèi)等相關(guān)技術(shù)，目前一切都在研究中。

03、3D DRAM進(jìn)程加速

3D DRAM（三維動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存）是一種具有全新存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的DRAM技術(shù)，不同于傳統(tǒng)DRAM水平放置存儲(chǔ)單元，3D DRAM通過垂直堆疊存儲(chǔ)單元的方式，可顯著提高單位面積內(nèi)的存儲(chǔ)容量并帶來更高的效率，因而被視為下一代DRAM發(fā)展的關(guān)鍵。

存儲(chǔ)器市場中，3D NAND Flash早已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，3D DRAM技術(shù)則仍處于研發(fā)階段。不過，隨著AI、大數(shù)據(jù)等應(yīng)用快速發(fā)展，高容量、高性能存儲(chǔ)器需求也將攀升，未來3D DRAM有望成為存儲(chǔ)器市場主流產(chǎn)品之一。

HBM技術(shù)開啟了DRAM 3D化之路，讓DRAM從傳統(tǒng)2D走向了3D，不過當(dāng)前的HBM并不能被認(rèn)同為3D DRAM技術(shù)。三星4F Square VCT DRAM與3D DRAM概念更為接近，但這不是3D DRAM唯一的方向與目標(biāo)，存儲(chǔ)廠商對(duì)3D DRAM有著更豐富設(shè)想。

三星計(jì)劃2030年實(shí)現(xiàn)3D DRAM商業(yè)化發(fā)展，2024年三星對(duì)外展示了兩項(xiàng)3D DRAM技術(shù)，包括VCT和堆疊DRAM（Stacked DRAM），三星首先引入VCT技術(shù)，之后升級(jí)到堆疊DRAM，將多組VCT堆在一起，以持續(xù)提升DRAM容量與性能。針對(duì)堆疊DRAM，三星表示，其可充分利用Z軸向空間，較小面積容納更多存儲(chǔ)單元，單芯片容納提升至100Gb以上。今年5月，三星表示，包括三星在內(nèi)的一些公司已經(jīng)成功制造出16層3D DRAM，他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，現(xiàn)階段公司不準(zhǔn)備大規(guī)模生產(chǎn)3D DRAM產(chǎn)品。3D DRAM預(yù)計(jì)將通過晶圓對(duì)晶圓（wafer-to-wafer）等混合鍵合技術(shù)來制造，同時(shí)三星也在考慮把BSPDN（背面供電網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)應(yīng)用于3D DRAM。

美光方面，據(jù)業(yè)界爆料，美光提交了與三星不同的3D DRAM專利申請，計(jì)劃在不放置cell的情況下改變晶體管和電容器的形狀。

SK海力士方面，6月韓媒BusinessKorea報(bào)道，SK海力士5層堆疊的3D DRAM的制造良率已達(dá)56.1%。這意味著在單個(gè)測試晶圓上制造的約1000個(gè)3D DRAM中，約有561個(gè)可行器件被生產(chǎn)出來。實(shí)驗(yàn)性的3D DRAM顯示出與目前使用的2D DRAM相似的特性，業(yè)界表示，這是SK海力士首次披露其3D DRAM開發(fā)的具體數(shù)字和特性。

除此之外，美國NEO半導(dǎo)體公司（NEO Semiconductor）也在布局3D DRAM。去年，NEO半導(dǎo)體宣布推出全球首款3D DRAM原型：3D X-DRAM。該技術(shù)與3D NAND Flash類似，都是堆疊層數(shù)提高內(nèi)存容量，有良率高、成本低、密度大幅提升等優(yōu)點(diǎn)。

NEO半導(dǎo)體表示2025年將推出第一代3D X-DRAM就有230層堆棧，核心容量128Gb，相較2D DRAM內(nèi)存16Gb容量，提升數(shù)倍。