存儲(chǔ)技術(shù)，掀起一輪新革命

在 AI 應(yīng)用浪潮下，高性能內(nèi)存需求持續(xù)飆升，以 HBM 為代表的 DRAM 受到極大追捧。與此同時(shí)，為進(jìn)一步滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，內(nèi)存廠商也蓄勢(shì)待發(fā)，迎來(lái)新一輪 DRAM 技術(shù)「革命」。

4F Square DRAM 開(kāi)發(fā)順利

三星電子副總裁劉昌植近日宣布，三星下一代 DRAM 技術(shù)進(jìn)展順利，除了成功量產(chǎn) 1b DRAM 外，4F Square DRAM 技術(shù)開(kāi)發(fā)也進(jìn)展順利，預(yù)計(jì) 2025 年開(kāi)發(fā)出 4F Square DRAM 的初始樣品。

據(jù)悉，早期 DRAM 單元結(jié)構(gòu)為 8F 方格，目前商用的 DRAM 主要采用 6F 方格，相比于這兩種技術(shù)，4F 方格采用了垂直通道晶體管（VCT）結(jié)構(gòu)，可將芯片表面積減少 30％。

由于單元面積減小，DRAM 密度與性能提升，因此在 AI 等應(yīng)用的推動(dòng)下，4F Square 技術(shù)逐漸受到各大存儲(chǔ)廠商的追捧。

此前，三星表示，許多公司正在努力將其技術(shù)過(guò)渡到 4F Square VCT DRAM，盡管仍需克服一些挑戰(zhàn)，包括開(kāi)發(fā)氧化物通道材料和鐵電體等新材料。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，三星 2025 年推出的 4F Square DRAM 首批樣品或?qū)⒂糜趦?nèi)部發(fā)布。另一家半導(dǎo)體制造商?hào)|京電子則預(yù)計(jì)，采用 VCT 和 4F Square 技術(shù)的 DRAM 將在 2027 年至 2028 年間問(wèn)世。

此外，三星計(jì)劃應(yīng)用 Hybrid Bonding 技術(shù)支持 4F Square DRAM 的生產(chǎn)。Hybrid Bonding 是下一代封裝技術(shù)，指的是通過(guò)垂直堆疊芯片來(lái)增加單元密度，從而提高性能，這也將對(duì) HBM4 和 3D DRAM 的發(fā)展產(chǎn)生影響。

HBM4 即將問(wèn)世

在 AI 時(shí)代，HBM 尤其是 HBM3e 在內(nèi)存市場(chǎng)大行其道，三大 DRAM 廠商競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，而新一輪的競(jìng)爭(zhēng)又在緊鑼密鼓地進(jìn)行，焦點(diǎn)集中在下一代 HBM4 技術(shù)上。

今年 4 月，SK 海力士宣布與臺(tái)積電合作開(kāi)發(fā) HBM4。據(jù)悉，兩家公司將首先針對(duì) HBM 封裝最底層的 Base Die 進(jìn)行性能改進(jìn)。為了專(zhuān)注于下一代 HBM4 技術(shù)的開(kāi)發(fā)，三星專(zhuān)門(mén)成立了全新的「HBM 開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)」。

7 月份，三星電子內(nèi)存部門(mén)新業(yè)務(wù)規(guī)劃組組長(zhǎng)崔章錫透露，該公司正在開(kāi)發(fā)一款單棧高達(dá) 48GB 的大容量 HBM4 內(nèi)存，預(yù)計(jì)明年投產(chǎn)。據(jù)悉，三星計(jì)劃采用 4nm 先進(jìn)工藝生產(chǎn) HBM4 邏輯芯片。而美光則計(jì)劃在 2025 年至 2027 年之間推出 HBM4，并在 2028 年過(guò)渡到 HBM4E。

除了制造工藝，DRAM 制造商也在積極探索混合鍵合技術(shù)，以用于未來(lái)的 HBM 產(chǎn)品。與現(xiàn)有的鍵合工藝相比，混合鍵合消除了 DRAM 內(nèi)存層之間凸塊的需要，而是直接將上下層、銅與銅連接起來(lái)。這顯著提高了信號(hào)傳輸速度，更好地滿(mǎn)足了 AI 計(jì)算的高帶寬要求。

今年 4 月，三星成功基于混合鍵合技術(shù)制造出 16 層堆疊 HBM3 存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器樣品運(yùn)行正常。未來(lái)，該 16 層堆疊混合鍵合技術(shù)將用于規(guī)模生產(chǎn) HBM4。SK 海力士計(jì)劃在 2026 年之前將混合鍵合應(yīng)用于 HBM 生產(chǎn)。美光也在開(kāi)發(fā) HBM4，并考慮包括混合鍵合在內(nèi)的相關(guān)技術(shù)，目前這些技術(shù)都在研究中。

3D DRAM 發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁

3D DRAM（三維動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）是一種具有新穎存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的新型 DRAM 技術(shù)。與水平放置存儲(chǔ)單元的傳統(tǒng) DRAM 不同，3D DRAM 垂直堆疊存儲(chǔ)單元，大大增加了單位面積的存儲(chǔ)容量并提高了效率。這使其成為下一代 DRAM 的關(guān)鍵發(fā)展方向。

在存儲(chǔ)器市場(chǎng)，3D NAND Flash 已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，3D DRAM 技術(shù)尚在研發(fā)中，但隨著 AI、大數(shù)據(jù)等應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，大容量、高性能存儲(chǔ)器需求將大幅增加，3D DRAM 有望成為存儲(chǔ)器市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。

HBM 技術(shù)為 DRAM 的 3D 演進(jìn)鋪平了道路，使 DRAM 從傳統(tǒng)的 2D 過(guò)渡到 3D。不過(guò)，目前的 HBM 還不能算是真正的 3D DRAM 技術(shù)。三星的 4F Square VCT DRAM 更接近 3D DRAM 的概念，但并不是 3D DRAM 的唯一方向或目標(biāo)。內(nèi)存廠商在 3D DRAM 方面還有更多的想法和創(chuàng)意。

三星計(jì)劃在 2030 年實(shí)現(xiàn) 3D DRAM 的商業(yè)化，2024 年三星展示了兩種 3D DRAM 技術(shù)，包括 VCT 和堆疊 DRAM。三星先是推出了 VCT 技術(shù)，隨后通過(guò)將多個(gè) VCT 堆疊在一起升級(jí)為堆疊 DRAM，不斷提升 DRAM 的容量和性能。

三星表示，堆疊式 DRAM 可充分利用 Z 軸空間，在更小的面積內(nèi)容納更多存儲(chǔ)單元，單芯片容量可超過(guò) 100Gb。今年 5 月，三星指出，已與其他公司一起成功制造出 16 層 3D DRAM，但強(qiáng)調(diào)尚未做好量產(chǎn)準(zhǔn)備。3D DRAM 預(yù)計(jì)將采用晶圓到晶圓混合鍵合技術(shù)生產(chǎn)，同時(shí)也考慮采用 BSPDN（背面電源傳輸網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)。

美光已提交了與三星不同的 3D DRAM 專(zhuān)利申請(qǐng)，旨在改變晶體管和電容器的形狀，而無(wú)需放置單元。

SK 海力士的 5 層堆疊 3D DRAM 的制造良率達(dá)到 56.1%。這意味著在一塊測(cè)試晶圓上生產(chǎn)的約 1000 個(gè) 3D DRAM 中，約有 561 個(gè)可行器件被制造出來(lái)。實(shí)驗(yàn)性的 3D DRAM 表現(xiàn)出與目前使用的 2D DRAM 類(lèi)似的特性，這是 SK 海力士首次披露其 3D DRAM 開(kāi)發(fā)的具體數(shù)字和特性。

此外，美國(guó)公司 NEO Semiconductor 也在致力于 3D DRAM 的研發(fā)，去年 NEO Semiconductor 宣布推出全球首款 3D DRAM 原型產(chǎn)品：3D X-DRAM，該技術(shù)類(lèi)似 3D NAND Flash，即通過(guò)堆疊層數(shù)來(lái)增加內(nèi)存容量，具有高良率、低成本、高密度等特點(diǎn)。

NEO 半導(dǎo)體計(jì)劃在 2025 年推出第一代 3D X-DRAM，其堆棧為 230 層，核心容量為 128Gb，比 2D DRAM 的 16Gb 容量高出數(shù)倍。