先进存储构建新型基础设施底座（一）：存储芯片

　　在数字经济时代，数据是第一生产要素，其存储、管理、分析和应用对于预测经济形势、规划经济活动至关重要，数据的存储与管理需求推动存储技术不断升级：一方面，作为数据存储的底层介质，存储芯片的特性向高性能、低功耗、小尺寸等快速发展；另一方面，以存储芯片和器件为基础，结合互联协议与软件平台构建的存储系统，在极致性能、融合扩展和高效管理方面不断提升。二者共同为新型基础设施构筑数据底座。下面针对存储芯片从主流技术现状、技术升级方向、产业现状和发展策略等方面进行介绍。

主流存储芯片发展后劲不足

　　DRAM和NAND-Flash是当前主流应用的存储芯片。DRAM广泛应用于系统内存，使用电容原理进行数据存储，当前DDR5的传输速率达到6Gbps，单片最高容量达到128GB，工作电压降至1.1V，并进一步向更高速率、更大容量、更低功耗、更小尺寸的方向发展。缩小芯片制程是推动DRAM发展的主要工艺，三星、美光、海力士等行业领军企业的制程已进入10nm级别。但是由于20nm以下存储单元的电容值急剧下降，存储可靠性降低，同时存储单元尺寸缩减，易出现行间串扰问题，加大了制造工艺难度、降低了成品率，因此1z、1α、1β和1γ制造工艺已成为未来DRAM芯片发展的重要突破口。NAND-Flash主要用于硬盘等非易失性存储介质，数据以比特的方式保存在存储单元中，根据每单元可存储的比特数，可以分为SLC（1bit）、MLC（2bit）、TLC（3bit）、QLC（4bit）。每单元存储比特数的上升提高了读写速率和单位尺寸存储容量，但同时也降低了稳定性和使用寿命，为实现存储芯片稳定性与容量的平衡，业内普遍采用TLC的形式，并将NAND单元集成从平面方式改为3D堆叠方式。当前阶段市场主流3D-NAND已超过64层，128层NANDFlash的量产也已经实现。

　　尽管DRAM和NAND- Flash技术较为成熟，但随着新基建发展，二者在应对新型需求方开始显现不足：DRAM是易失性存储器，掉电后数据丢失，数据无法持久化保存；NAND-Flash受技术原理制约，寿命、稳定性和延迟等性能已经达到发展瓶颈，难以满足未来应用场景的差异化需求。目前行业巨头纷纷布局下一代非易失性存储芯片，其中PCM、MRAM、FeRAM、ReRAM、NRAM等成为主流方向：PCM为相变存储器，利用硫族化物在晶体和非晶相之间的变化来表征数据，特点是在提升性能的同时简化了制造工艺，有望在未来取代NAND成为新的主流存储技术，满足新基建部署对存储芯片的规模化需求；MRAM为磁阻随机存储器，通过改变磁性记录数据，特点是使用中无磨损，理论上可以无限次地重复写入；FeRAM为铁电随机存储器，通过保存浮动栅内的电荷记录数据，特点是耐辐射，适用于需要对产品进行射线消毒或其他辐射的应用场景；ReRAM为电阻随机存储器，通过改变金属氧化物薄膜电阻值记录数据，特点是具有生物神经元和突触时间特性及模拟特性，适用于神经网络计算领域；NRAM即碳纳米管随机存储器，通过碳纳米管接触状态记录数据，特点是待机模式零功耗，信息可以长时间存储，适用于各类低功耗场景。值得一提的是，上述任何单一技术都无法满足新基建发展产生的所有需求，各类技术在满足特定场景应用需求方面具有较大优势。

云边端一体化发展推动存储芯片技术升级

　　新基建一方面将带动数据中心的规模化建设，另一方面将带动边缘计算节点和终端智能设备的发展，云边端一体化的部署模式对存储芯片提出了更高的要求。首先，无论是云端的存储，还是边缘侧和智能终端的存储，都要求存储芯片具备更高的读写性能、更大的容量和更低的成本。数量采集与处理需求的提升对存储芯片的读写速度要求越来越高，对容量的要求也越来越大，只有更高的读写性能和更大的容量才能支撑更先进的计算和应用需求；存储芯片成本的降低可以保证存储芯片的规模化部署与应用，满足海量云端、边缘侧设备和智能终端设备的市场需求。其次，随着应用向边端侧延伸，对存储芯片更小体积、更低功耗的特性提出更多要求。边缘计算设备和智能终端设备的规模化部署对小体积、便携化的需求不断提升，未来存储芯片需要在满足设备存储性能需求的同时尽可能缩小体积、降低功耗，以便于集成在各种计算设备和终端设备中。最后，未来智能终端设备的应用场景繁多，需求复杂，需要进一步探索能够满足各种差异化需求的存储芯片。例如有些场景有更长的使用寿命和可擦写次数需求，有些场景有极低待机功耗的需求，有些场景有耐高温或耐辐射等特殊需求，需要通过对新一代非易失性存储芯片的研发和投入来逐步满足这些差异化的应用场景需求。

我国存储芯片需从产业、技术和市场突破

　　存储芯片不仅是支撑新型基础设施建设的底座，更是未来整个信息社会发展的基石，是国家战略性的高科技产业，我国在存储芯片行业已布局多年。技术研究方面，我国在“十一五”“十二五”期间通过自然基金、973、863等项目，对新型存储芯片的材料、工艺、芯片和集成进行了研究部署，取得了一系列成果，提高了中国在存储芯片国际学术领域的地位，也为产业发展提供了重要支撑。产业化方面，长江存储于2017年成功研制了中国第一颗3D NAND闪存芯片，于2019年9月实现了64层NAND-Flash量产，并发布了全新3D NAND架构XtackingTM，目前已将该技术应用于第二代3D NAND产品的开发，与国外领先企业的技术差距正在不断缩小。紫光集团、福建晋华、合肥长鑫、兆易创新等企业也纷纷部署投产，以期与行业巨头展开竞争。

　　我国是存储芯片消费大国，市场规模超过2800多亿元，占全球存储芯片市场的50%以上。但是目前我国存储芯片高度依赖进口，产业发展存在较大困境：一是美日韩巨头垄断现象明显。存储芯片市场一直被三星、海力士、美光、英特尔等行业巨头把持，市场占有率超过90%，我国本土企业市场空间受到较大限制。二是技术门槛高、产业链短板明显。存储芯片的产业化涉及材料、设计、制造、封测以及制造设备等多个技术领域，技术含量高、综合性强、难度大，我国在芯片的设计、加工等产业链环节短板较为明显，难以实现快速突破。三是当前国际局势的影响。受近期国际新冠肺炎疫情和其他各种因素的影响，我国外向型经济发展受阻，而存储芯片作为需要国际多方合作的高科技产业，未来发展也将受到一定的制约。

　　要突破存储芯片产业面临的困境，我国需要从产业、技术和市场三方面着手。一是产业上鼓励存储芯片产业投资，通过政策扶持关键企业实现技术升级和规模化生产，提高产品竞争力，打破国外垄断。二是技术上加强自主创新，鼓励技术突破，开展共性基础研究和下一代存储芯片研究，为产业的自主发展奠定科学基础。三是市场上重点把握国内市场需求，在全球经济不明朗以及外向型经济受阻的国际环境下，通过内循环进行自我巩固和提升，做到真正的自给自足，良性发展。