淺談存儲(chǔ)芯片的分類(lèi)

DRAM芯片全稱(chēng)是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，是一種隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），與CPU直接交換數(shù)據(jù)，可隨時(shí)讀寫(xiě)且速度快，斷電后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)丟失，是易失性存儲(chǔ)器，也就是俗稱(chēng)的“內(nèi)存”。

一、存儲(chǔ)芯片的分類(lèi)：隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）

（一）存儲(chǔ)芯片大類(lèi)：RAM、ROM

半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片可以分為隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）兩大類(lèi)：

1、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）：是易失性存儲(chǔ)器，即斷電后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)丟失，可理解為內(nèi)存，未保存下關(guān)機(jī)重啟進(jìn)程會(huì)丟失；

2、只讀存儲(chǔ)器（ROM）：是非易失性存儲(chǔ)器，即斷電后所存數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，但只能讀取事先存儲(chǔ)的信息，可理解為硬盤(pán)、U盤(pán)、存儲(chǔ)卡，保存后文件內(nèi)容都存儲(chǔ)在芯片中。

隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）中，以DRAM為主流；只讀存儲(chǔ)器（ROM）中，以Flash為主流，兩者占整個(gè)半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的98%，也是我們?nèi)粘Ｊ褂米疃鄡蓚€(gè)參數(shù)的4GB/8GB/16GB+64GB/128GB/256GB所形容的兩類(lèi)芯片。

（二）RAM分類(lèi)：DRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、SRAM靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器

在RAM中有動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）。DRAM用作內(nèi)存，需求量遠(yuǎn)高于SRAM。SRAM速度很快但成本高，一般用于作CPU的高速緩存。

（三）同步DRAM分類(lèi)：DDRSDRAM、LPDDR、GDDR

DRAM的工作原理是利用電容內(nèi)存儲(chǔ)電荷的多寡來(lái)代表一個(gè)二進(jìn)制比特（bit），具備運(yùn)算速度快、掉電后數(shù)據(jù)丟失的特點(diǎn)，常應(yīng)用于系統(tǒng)硬件的運(yùn)行內(nèi)存，主要應(yīng)用于服務(wù)器、PC和手機(jī)等。

在結(jié)構(gòu)升級(jí)方面，DRAM分為同步和異步兩種，兩者區(qū)別在于讀/寫(xiě)時(shí)鐘與CPU時(shí)鐘不同。傳統(tǒng)的DRAM為異步DRAM，已經(jīng)被淘汰，SDRAM（SynchronousDRAM，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）為DRAM的一種升級(jí)，讀/寫(xiě)時(shí)鐘與CPU時(shí)鐘嚴(yán)格同步，主要包括DDR、LPDDR、GDDR、HBM等。

1、DDRSDRAM（雙信道同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存）

可以在一個(gè)時(shí)鐘讀寫(xiě)兩次數(shù)據(jù)，使得傳輸數(shù)據(jù)加倍，目前已發(fā)展到第五代，每一代升級(jí)都伴隨傳輸速度的提升以及工作電壓的下降。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，隨著DDR5的上市，市場(chǎng)將快速進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)換代，預(yù)計(jì)2025年DDR5的份額將接近80%。

2、LPDDR（低功耗雙信道同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存）

通過(guò)與處理器緊鄰（焊接在主機(jī)板上而非插入或以封裝層疊技術(shù)直接堆在處理器上方）、減少通道寬度以及其他一些犧牲部分反應(yīng)時(shí)間的方法來(lái)降低體積和功耗。LPDDR內(nèi)存多用于智能手機(jī)、筆記本、新能源車(chē)上，而DDR多用于服務(wù)器、臺(tái)式機(jī)、普通筆記本上。

3、GDDR（繪圖用雙信道同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存）

為專(zhuān)門(mén)適配高端繪圖顯卡而特別設(shè)計(jì)的高性能DDR儲(chǔ)存器。GDDR與一般DDR不能共用，時(shí)鐘頻率更高，發(fā)熱量更小，一般用于電競(jìng)終端和工作站。

二、DRAM的發(fā)展趨勢(shì)：高性能低功耗、從2D架構(gòu)轉(zhuǎn)向3D架構(gòu)

（一）高性能和低功耗是性能升級(jí)的兩大主要趨勢(shì)

一般來(lái)說(shuō)，繪圖用DRAM數(shù)據(jù)傳輸速度高于計(jì)算機(jī)用DRAM，計(jì)算機(jī)用DRAM高于手機(jī)用DRAM。近年來(lái)，各類(lèi)DRAM更新迭代快速，高性能和低功耗是兩大主要趨勢(shì)，目前DDR、LPDDR、GDDR已發(fā)展至第5-6代，較前一代傳輸速率大幅提升，功耗大幅度降低。手機(jī)DRAM方面，目前業(yè)內(nèi)已量產(chǎn)LDDR5；計(jì)算機(jī)用DRAM方面，目前已演進(jìn)至DDR5；繪圖用DRAM方面，最新一代的GDDR6已商用數(shù)年。

（二）從2D架構(gòu)轉(zhuǎn)向3D架構(gòu)：HBM

DRAM從2D架構(gòu)轉(zhuǎn)向3D架構(gòu)演變的典型產(chǎn)品為HBM。HBM（HighBandwidthMemory，高帶寬儲(chǔ)存器）是AMD和SK海力士推出的一種基于3D堆棧工藝的高性能DRAM，適用于高儲(chǔ)存器帶寬需求的應(yīng)用場(chǎng)合，如圖形處理器、網(wǎng)絡(luò)交換及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備（交換機(jī)、路由器）等。

HBM將原本在PCB板上的DDR內(nèi)存顆粒和GPU芯片同時(shí)集成到SiP封裝中，使內(nèi)存更加靠近GPU，DDRDie采用堆疊方式，通過(guò)增加單個(gè)DDR容量和層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存容量和帶寬的提高。

目前最先進(jìn)的HBM為第五代HBM3以及第六代HBM3E，封裝的DRAMDie層數(shù)達(dá)到12層。

HBM已普遍搭配主流AI訓(xùn)練芯片使用，相較GDDR帶寬顯著提升。例如英偉達(dá)的DGXA100單GPU搭載了總計(jì)80GB容量的HBM2E，DGXH100單GPU搭載了總計(jì)80GB容量的HBM3存儲(chǔ)，單個(gè)HBM3存儲(chǔ)帶寬最高可達(dá)819GB/s，較單個(gè)GDDR帶寬提升10倍以上，H200更是搭載了共141GB的HBM3e內(nèi)存，總HBM容量較H100提升76%，總帶寬提升約43%。

英偉達(dá)于11月13日上午在“Supercomputing23”會(huì)議上正式發(fā)布了全新的H200GPU和改進(jìn)后的GH200，每個(gè)H200GPU搭載HBM3e容量進(jìn)一步提升至141GB。

（三）制程演變：演進(jìn)至10+nm

DRAM工藝制程演進(jìn)至10+nm，將繼續(xù)向10nm逼近。DRAM的制程接近10nm，各廠家都處于10nm+階段。

業(yè)界命名DRAM前三代10nm+制程分別為1X（16-19nm）、1Y（14-16nm）、1Z（12-14nm）。行業(yè)龍頭三星電子、SK海力士和美光在2016~2017年期間進(jìn)入1Xnm階段，2018~2019年進(jìn)入1Ynm階段，2020年后進(jìn)入1Znm階段。最新的1αnm仍處于10+nm階段，三星于2020年3月率先完成技術(shù)開(kāi)發(fā)，美光和海力士緊隨其后，各家大廠將繼續(xù)向10nm逼近。

從光刻技術(shù)上看，由DUV轉(zhuǎn)向EUV。目前DRAM使用最為成熟的光刻技術(shù)是193nm的DUV光刻機(jī)，EUV光刻機(jī)使用13.5nm波長(zhǎng)，可通過(guò)減少光罩次數(shù)來(lái)進(jìn)一步壓低成本，提高精度和產(chǎn)能。在工藝制程達(dá)到14nm后，采用EUV的經(jīng)濟(jì)性開(kāi)始顯現(xiàn)，而DUV需使用多重曝光（SAQP）技術(shù)才能形成更細(xì)線寬的電路，因此成本上處于劣勢(shì)。

目前DRAM廠商仍可通過(guò)工藝改進(jìn)使用DUV生產(chǎn)10+nmDRAM，未來(lái)DRAM生產(chǎn)轉(zhuǎn)向EUV將是必然。三星、SK海力士分別于2020年和2021年引入EUV技術(shù)來(lái)制造DRAM，美光預(yù)計(jì)在2024年生產(chǎn)基于EUV的DRAM。

三、DRAM下游行業(yè)及推動(dòng)力：主要用于計(jì)算，AI算力提升推動(dòng)DRAM需求

2020年DRAM下游市場(chǎng)中，計(jì)算、無(wú)線通訊、消費(fèi)和工業(yè)分別占45.9%、36.5%、9.6%、4.5%。隨著CPU主頻、核心和線程數(shù)量的不斷提升，CPU運(yùn)算處理的速度已經(jīng)遠(yuǎn)超硬盤(pán)的讀寫(xiě)速度，因此需要CPU內(nèi)存作為橋梁來(lái)暫時(shí)存放CPU中的運(yùn)算數(shù)據(jù)，并與硬盤(pán)等外部存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)。

根據(jù)招商證券測(cè)算，從容量上看，按照普通服務(wù)器CPU內(nèi)存320-640GB容量計(jì)算，AI服務(wù)器對(duì)DRAM容量的提升大約為4-8倍；按照高性能服務(wù)器CPU內(nèi)存1TB容量計(jì)算，AI服務(wù)器對(duì)DRAM容量的提升大約為2.5-3倍。從價(jià)值量來(lái)看，AI服務(wù)器中CPU內(nèi)存和SSD的價(jià)值量相較于普通雙路服務(wù)器預(yù)計(jì)均提升5倍左右，GPU顯存為純?cè)隽渴袌?chǎng)。

四、相關(guān)標(biāo)的

1、存儲(chǔ)芯片：兆易創(chuàng)新、北京君正、東芯股份

2、存儲(chǔ)經(jīng)銷(xiāo)：香農(nóng)芯創(chuàng)、雅創(chuàng)電子

3、AI服務(wù)器及HBM配套：國(guó)芯科技、瀾起科技、創(chuàng)益通

附：AI 服務(wù)器存儲(chǔ)及先進(jìn)封裝產(chǎn)業(yè)鏈上市標(biāo)的

資料來(lái)源：中信建投電子、招商證券電子

審核編輯：湯梓紅