公眾號(hào)記得加星標(biāo)??，第一時(shí)間看推送不會(huì)錯(cuò)過(guò)。

近年來(lái)，生成式人工智能的進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，使人們重新認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，特別是DRAM 的重要性。此外，旨在通過(guò)垂直堆疊DRAM芯片或存儲(chǔ)單元來(lái)提高容量和速度的3D DRAM技術(shù)正在快速發(fā)展。

博主Damnang2日前在一個(gè)分享中更是透露，最近，他參加了SK海力士美洲法人社長(zhǎng)舉辦的技術(shù)研討會(huì)，在那里聽(tīng)到的一句話讓他印象深刻的話：“如果但是看3D DRAM，中國(guó)已經(jīng)領(lǐng)先于SK海力士。”

看到這句話，筆者一方面體會(huì)到海外巨頭的棒殺。另一方面，這或多或少體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)這些年在3D DRAM的研究終于被看到了。

眾所周知，傳統(tǒng)DRAM主要通過(guò)縮小二維（2D）硅晶片上的電路圖案尺寸來(lái)提高存儲(chǔ)容量。然而，隨著縮小尺寸的有效性接近物理極限，為了獲得更大的容量（更高的密度）和更快的速度，必須在高度方向上堆疊多層結(jié)構(gòu)。3D DRAM應(yīng)運(yùn)而生并投入實(shí)際應(yīng)用，以滿足這些需求。

為此，在這篇文章中，我們打算給大家深度科普一下3D DRAM。

人工智能時(shí)代，存儲(chǔ)空前重要

3D DRAM的加速發(fā)展是由應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω笕萘亢透焖俣菵RAM日益增長(zhǎng)的需求所驅(qū)動(dòng)的。

眾所周知，為了使生成式人工智能更加智能，并滿足日益增長(zhǎng)的人工智能用戶需求， GPU和各種人工智能加速器等處理器需要不斷提升性能。在股市上，全球最大的GPU制造商英偉達(dá)( NVIDIA )的股價(jià)也隨著人工智能應(yīng)用的擴(kuò)展而飆升。然而，對(duì)于人工智能的演進(jìn)和普及而言，比處理器更重要的是DRAM容量和速度的提升。這是因?yàn)樽钚碌娜斯ぶ悄苣Ｐ鸵?guī)模要大得多，因此必須能夠可靠地提供與GPU和其他處理器在訓(xùn)練和推理過(guò)程中處理速度相匹配的數(shù)據(jù)量。在人工智能系統(tǒng)中，DRAM的規(guī)格質(zhì)量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能和功耗都產(chǎn)生了更大的影響。此外，人工智能系統(tǒng)中高隨機(jī)內(nèi)存訪問(wèn)的頻率遠(yuǎn)高于科學(xué)技術(shù)計(jì)算（后者是高負(fù)載計(jì)算處理的典型例子）。因此，計(jì)算性能往往取決于DRAM的帶寬。

然而，目前的DRAM僅依賴于基于小型化的二維（平面）密度提升，這使得容量和速度的進(jìn)一步提升變得困難。

DRAM單元的結(jié)構(gòu)限制是其面臨的一大挑戰(zhàn)。DRAM單元通常采用1T1C結(jié)構(gòu)，由一個(gè)控制數(shù)據(jù)訪問(wèn)的晶體管和一個(gè)以電荷形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的電容器組成。因此，除非晶體管和電容器都小型化，否則單元的小型化是不可能的。然而，電容器必須能夠存儲(chǔ)一定量的電荷才能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這使得小型化變得困難。雖然3D電容器結(jié)構(gòu)（例如溝槽和堆疊結(jié)構(gòu)）技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)并投入實(shí)際應(yīng)用，但利用這些方法提高電容值也變得越來(lái)越困難。

此外，隨著晶體管小型化，漏電流增大，導(dǎo)致刷新功耗（維持電荷所需的周期性更新操作）和數(shù)據(jù)保持過(guò)程中產(chǎn)生的熱量增加。另外，隨著小型化程度的提高，制造工藝變得更加復(fù)雜精密，制造成本也隨之增加。DRAM的發(fā)展需要降低每比特成本，因此，引入無(wú)法降低成本的方法將變得毫無(wú)意義。

于是，向3D DRAM轉(zhuǎn)型，已經(jīng)成為了大勢(shì)所趨。正如Lam Research在此前的一篇報(bào)道中所說(shuō)，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器行業(yè)以前也經(jīng)歷過(guò)這種情況。

十多年前，NAND閃存遇到了瓶頸。平面縮放——即縮小平面上的存儲(chǔ)單元尺寸——已經(jīng)無(wú)法滿足物理定律。存儲(chǔ)單元尺寸越來(lái)越小，開(kāi)始相互干擾，數(shù)據(jù)保持能力下降，良率也隨之降低。業(yè)界的應(yīng)對(duì)之策是轉(zhuǎn)向垂直方向，將存儲(chǔ)單元堆疊成3D結(jié)構(gòu)，以犧牲橫向密度為代價(jià)換取縱向容量。這種方法奏效了，但轉(zhuǎn)型過(guò)程遠(yuǎn)比大多數(shù)非晶圓廠從業(yè)人員預(yù)想的要艱難得多。

如今，DRAM 也正面臨類似的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。人工智能工作負(fù)載已將內(nèi)存帶寬推向關(guān)鍵的系統(tǒng)瓶頸，DRAM 制造商正將平面技術(shù)推進(jìn)到第六代 10 納米級(jí)芯片。DRAM 制造商正在探索面向 10 納米以下時(shí)代的新型 4F2 架構(gòu)，但單元電容和晶體管面積的減小將使 DRAM 接近器件物理極限，這也要求 DRAM向垂直方向發(fā)展。

3D DRAM，有兩種定義

雖然3D DRAM被討論很多，但如大家所見(jiàn)，3D DRAM既有狹義定義，也有廣義定義。截至2026年初，新聞報(bào)道和文獻(xiàn)中經(jīng)常同時(shí)使用這兩種定義，卻不明確指出指的是哪一種，這造成了相當(dāng)大的混亂。讀者在解讀文檔時(shí)需要清楚地了解作者所使用的含義。因此，我們首先來(lái)澄清一下這兩種定義。

狹義上的3D DRAM指的是一種DRAM ，其中用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元通過(guò)前端工藝垂直堆疊在單個(gè)硅芯片（單片芯片）上。為避免誤解，這種3D DRAM有時(shí)也被稱為單片3D DRAM 、垂直DRAM或真正的3D DRAM 。在本文中，我們將狹義上的3D DRAM稱為單片3D DRAM 。

在用于臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的DRAM出現(xiàn)之前，采用單片單元堆疊結(jié)構(gòu)的3D NAND閃存（即NAND閃存）已作為數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器投入實(shí)際應(yīng)用。這是因?yàn)镹AND閃存的單元結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，使得單元的3D堆疊相對(duì)容易（與DRAM相比，實(shí)際技術(shù)難度較高）。相比之下，單片3D DRAM的技術(shù)難度極高，尚未投入實(shí)際應(yīng)用。三星電子（韓國(guó)）正積極推進(jìn)單片3D DRAM技術(shù)的研發(fā)，計(jì)劃于2025年實(shí)現(xiàn)，并在2020年代末期推向市場(chǎng)。SK海力士（韓國(guó)）也在加速推進(jìn)垂直結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究，目標(biāo)是在2030年前后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

此外，目前專注于NAND閃存的制造商鎧俠（ Kioxia ）在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)布了新的單片3D DRAM技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。最初，3D NAND技術(shù)是由鎧俠的前身東芝公司開(kāi)發(fā)的，該公司在3D單元堆疊方面積累了豐富的技術(shù)。預(yù)計(jì)該公司將在2030年代進(jìn)軍DRAM業(yè)務(wù)。

廣義而言， “DRAM”一詞不僅包括單片3D DRAM ，還包括一種名為“ HBM（高帶寬內(nèi)存）”的DRAM ，它由多個(gè)垂直堆疊的DRAM芯片組成。HBM已投入實(shí)際應(yīng)用，與NVIDIA 的GPU集成在同一電路板上，并因人工智能數(shù)據(jù)中心需求激增導(dǎo)致的內(nèi)存短缺而廣為人知。三大DRAM制造商——三星、SK海力士和美光科技（美國(guó)） ——正在將其商業(yè)化。符合“ HBM4 ”接口標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品現(xiàn)已上市，該標(biāo)準(zhǔn)集成了多達(dá)16層芯片，每個(gè)芯片的帶寬高達(dá)2 TB/s （太字節(jié)/秒）。

HBM是一種DRAM ，其存儲(chǔ)單元以二維方式集成在同一芯片上。芯片在前端工藝中完成制造，然后在后端工藝中以三維方式堆疊，芯片之間通過(guò)稱為T(mén)SV （硅通孔）的布線技術(shù)連接。由于它不像單片3D DRAM那樣需要對(duì)前端工藝進(jìn)行根本性改變，因此能夠更早地投入實(shí)際應(yīng)用。又因?yàn)樗且环N采用已投入實(shí)際應(yīng)用的三維結(jié)構(gòu)的DRAM ，所以通常被稱為3D DRAM。HBM型DRAM有時(shí)也被明確區(qū)分，稱為3D堆疊DRAM或3D封裝DRAM 。以下我們將統(tǒng)一稱其為3D堆疊DRAM 。

專家認(rèn)為，這兩種3D DRAM技術(shù)不太可能完全取代彼此；相反，它們將根據(jù)所需的性能指標(biāo)是“帶寬”還是“容量密度”而被有選擇地使用

單片3D DRAM旨在大幅提升“容量密度”并降低“每比特成本” 。正如3D NAND相比2D NAND顯著提高了存儲(chǔ)密度一樣，它將使單片晶圓的存儲(chǔ)容量提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍。雖然初期投資較高，但一旦實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，就可以通過(guò)增加層數(shù)來(lái)有效降低每比特成本，這與3D NAND類似。

此外，通過(guò)縮短用于讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的位線和字線，可以改善單元訪問(wèn)延遲時(shí)間。由線路引起的寄生電容和電阻（RC延遲）可以降至最低，預(yù)計(jì)內(nèi)存訪問(wèn)期間的能耗也能降低。另外，通過(guò)使用IGZO等新型材料，可以將刷新間隔延長(zhǎng)至幾秒甚至幾分鐘，從而顯著降低待機(jī)功耗。

這些特性使得單片式3D DRAM適用于未來(lái)的“邊緣AI ”和“主流計(jì)算” 。具體而言，這包括智能手機(jī)中的設(shè)備端AI 、自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的實(shí)時(shí)推理引擎以及筆記本電腦中的高能效、高容量?jī)?nèi)存。尤其值得一提的是，采用IGZO技術(shù)的低漏電3D DRAM有望成為移動(dòng)設(shè)備中替代傳統(tǒng)DRAM的有力候選方案，尤其是在電池續(xù)航時(shí)間至關(guān)重要的移動(dòng)設(shè)備中。

另一方面，類似HBM這樣的3D堆疊式DRAM的最大優(yōu)勢(shì)在于其壓倒性的“帶寬”。在HBM4代產(chǎn)品中，接口位已擴(kuò)展至2048位，單堆疊帶寬超過(guò)2TB / s 。這足以滿足擁有數(shù)千個(gè)計(jì)算核心的GPU持續(xù)數(shù)據(jù)供應(yīng)的需求。HBM采用“寬而慢”的策略（降低時(shí)鐘頻率并提高并行度） ，在實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)吞吐量的同時(shí)提升了能效。通常，DRAM的訪問(wèn)速度取決于單元訪問(wèn)延遲時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸速率（引腳速度）和總帶寬。其中，只有總帶寬可以通過(guò)3D堆疊式DRAM得到提升。由于它本質(zhì)上是堆疊2D DRAM芯片，因此單元訪問(wèn)延遲時(shí)間幾乎保持不變。

此外，多層DRAM芯片堆疊形成TSV ，并采用昂貴的中介層和先進(jìn)的封裝技術(shù)。因此，制造成本極高，但當(dāng)前人工智能的蓬勃發(fā)展使其平均售價(jià)（ASP）也居高不下。然而，在將其集成到通用PC和智能手機(jī)之前，仍有諸多重大障礙需要克服。

這些特性使得3D堆疊式DRAM非常適合高性能計(jì)算 (HPC) ，例如數(shù)據(jù)中心的AI訓(xùn)練、科學(xué)計(jì)算和高端圖形，這些應(yīng)用都需要最高的性能。

關(guān)于HBM已經(jīng)討論了很多，我們接下來(lái)談一下單片式3D DRAM。

單片式3D DRAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

接下來(lái)，我們將介紹單片式3D DRAM和3D堆疊式DRAM ( HBM )在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)上的差異。

首先是單片式3D DRAM 。在這種類型的3D DRAM中，存儲(chǔ)單元本身垂直構(gòu)建在單個(gè)硅晶圓上。多層結(jié)構(gòu)在晶圓加工階段完成，芯片切割出來(lái)時(shí)已經(jīng)集成了數(shù)層到數(shù)十層存儲(chǔ)層。在傳統(tǒng)的2D DRAM中，一個(gè)存儲(chǔ)單元由1T1C組成，排列在一個(gè)平面上；而在單元堆疊式3D DRAM中，這些單元是垂直堆疊的。

左圖：（a）具有垂直位線的結(jié)構(gòu)；（b）垂直字線的實(shí)現(xiàn)方法。條狀部分為電容器。右圖：（a）溝道附近的結(jié)構(gòu)；（b）垂直字線中的階梯狀水平位線；（c）垂直位線結(jié)構(gòu)中溝道和字線的堆疊結(jié)構(gòu)。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心技術(shù)是“垂直溝道晶體管（VCT：vertical channel transistor）”結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)晶體管的溝道呈水平方向，而VCT則將溝道垂直排列，并采用“環(huán)柵（GAA）”結(jié)構(gòu)，即柵極環(huán)繞溝道。這項(xiàng)技術(shù)由日本Rapidus公司開(kāi)發(fā)，目前已應(yīng)用于2nm及以下制程的邏輯芯片中，并開(kāi)始投入實(shí)際應(yīng)用。該技術(shù)顯著減小了芯片占用面積（單元尺寸） ，同時(shí)抑制了漏電流，從而實(shí)現(xiàn)了超高密度。

此外，對(duì)于堆疊式單元設(shè)計(jì)，除了垂直形成電容器的方法外，引入“ 2T0C（2個(gè)晶體管，0個(gè)電容器）”結(jié)構(gòu)也被認(rèn)為是一種很有前景的方法，這種結(jié)構(gòu)無(wú)需使用電容器本身。它采用氧化銦鎵鋅（IGZO ）這種氧化物半導(dǎo)體，通過(guò)將電荷存儲(chǔ)在晶體管溝道中，從而無(wú)需使用難以制造的高縱橫比電容器。IGZO是一項(xiàng)日本發(fā)明的技術(shù)，也應(yīng)用于控制液晶面板運(yùn)行的薄膜晶體管（TFT）中。

具體而言，在3D堆疊式DRAM中，多個(gè)芯片堆疊在一起，每一層DRAM芯片都被減薄到極薄的程度，信號(hào)通過(guò)數(shù)千個(gè)穿透芯片的TSV（硅通孔）傳輸?shù)缴舷聝蓪有酒?。這使得總線寬度可以達(dá)到1024位甚至更高?？紤]到傳統(tǒng)的通用內(nèi)存（例如DDR5）以幾十位為單位輸出數(shù)據(jù)，其并行處理能力是壓倒性的。此外，在與GPU和其他設(shè)備結(jié)合使用的HBM中，采用了2.5D安裝配置，其中DRAM通過(guò)稱為硅中介層的中間基板放置在靠近處理器芯片的位置。

在堆疊式內(nèi)存芯片的最底層是一個(gè)稱為“基本邏輯芯片”的邏輯芯片。該邏輯芯片控制著上面堆疊的多個(gè)DRAM芯片與外部處理器之間的接口，并在信號(hào)放大和糾錯(cuò)方面發(fā)揮作用。

目前市售的基于HBM的DRAM芯片層數(shù)通常為4層（4-Hi）或更多，其中8層（8-Hi）和12層（12-Hi）產(chǎn)品為主流。預(yù)計(jì)16層（16 -Hi）產(chǎn)品的商業(yè)化將在2026年加速推進(jìn)。16 -Hi指的是16個(gè)DRAM芯片堆疊在一起，底層邏輯芯片不計(jì)入層數(shù)。

要實(shí)現(xiàn)上述產(chǎn)品，存儲(chǔ)芯片采用以下技術(shù)進(jìn)行堆疊：

1. TSV （全穩(wěn)定通孔）形成技術(shù)。為了制造垂直穿透芯片的深而窄的孔，需要先進(jìn)的等離子蝕刻技術(shù)，類似于博世工藝（一種通過(guò)反復(fù)蝕刻和形成保護(hù)膜來(lái)制造深而形狀良好的孔的技術(shù)）。

2.熱壓鍵合( TCB )技術(shù)。該技術(shù)需要在施加熱量和壓力的同時(shí)熔化微凸點(diǎn)（焊料）進(jìn)行連接。精確的對(duì)準(zhǔn)和溫度控制是該工藝的關(guān)鍵。然而，當(dāng)層數(shù)超過(guò) 16 層時(shí)，焊點(diǎn)的累積高度將超過(guò)封裝高度限制，這使得盡可能薄地制造焊點(diǎn)層成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

3. MR-MUF （整體回流注塑成型底部填充）技術(shù)。該技術(shù)是在芯片堆疊完成后，一步完成液態(tài)封裝材料的注入和固化。SK海力士在該技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵙π酆?。雖然該技術(shù)具有高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的制造效率，但隨著層數(shù)的增加，均勻注入的技術(shù)難度也隨之增加，成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

4.混合鍵合（Cu-Cu）技術(shù)。這是未來(lái)產(chǎn)品（例如HBM5及更高版本）中預(yù)期的終極鍵合技術(shù)。它無(wú)需焊球即可將銅線表面直接鍵合在一起。通過(guò)消除連接處的焊球，堆疊高度得以最小化，I /O密度可提高10倍以上。該工藝需要使用CMP （化學(xué)機(jī)械拋光）設(shè)備對(duì)晶圓表面進(jìn)行原子級(jí)平整化處理，以及能夠達(dá)到最高潔凈度的清洗設(shè)備。

與NAND相比，3D DRAM更難

為了實(shí)現(xiàn)單片式3D DRAM ，必須在前端工藝（晶圓工藝）中引入新技術(shù)。雖然可以借鑒3D NAND的經(jīng)驗(yàn)，但還需要獨(dú)特的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)DRAM特有的高速運(yùn)行和數(shù)據(jù)保持特性。具體而言，單元堆疊采用以下技術(shù)。

1.高縱橫比刻蝕。形成穿透數(shù)十層存儲(chǔ)單元的微孔需要具有極高選擇性和方向性的刻蝕技術(shù)。等離子刻蝕設(shè)備用于精確制造縱橫比超過(guò)100 : 1的超細(xì)孔。

2.利用原子層沉積（ALD）技術(shù)形成薄膜。需要在垂直鉆孔的內(nèi)壁上精確形成厚度為一個(gè)原子層的均勻絕緣薄膜或溝道材料。特別是，先進(jìn)的ALD技術(shù)對(duì)于均勻堆疊多元素氧化物（例如IGZO）至關(guān)重要。

3.離子切割和晶圓鍵合。作為實(shí)現(xiàn)單元堆疊的另一種方法，一種技術(shù)被提出，該技術(shù)通過(guò)注入氫離子將一層薄的單晶硅從晶圓上剝離，然后將其轉(zhuǎn)移到另一片晶圓上并進(jìn)行鍵合。這使得可以使用高質(zhì)量的單晶硅而不是多晶硅來(lái)形成多層晶體管層。

4.新材料的引入。采用新材料，例如用IGZO溝道代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅，采用新型高k材料提高電容器的介電常數(shù)，以及采用鈷（Co）和釕（Ru）降低布線電阻，預(yù)計(jì)將對(duì)實(shí)現(xiàn)3D DRAM至關(guān)重要。

Lam Reserch則以3D NAND為例講述了3D DRAM的復(fù)雜性。

在NAND閃存中采用垂直結(jié)構(gòu)意味著需要以極高的精度蝕刻穿過(guò)數(shù)十層交替材料層的通道。我們必須以前所未有的高縱橫比填充這些通道及其間的空隙，且不能出現(xiàn)任何空隙或接縫。這是業(yè)界在大規(guī)模生產(chǎn)中從未嘗試過(guò)的。此外，我們還必須找到在傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)無(wú)法觸及的結(jié)構(gòu)深處沉積均勻薄膜的方法。每增加一層，復(fù)雜性都會(huì)成倍增加。

DRAM 向 3D 化轉(zhuǎn)型之路與 NAND 閃存的轉(zhuǎn)型歷程有著明顯的相似之處。驅(qū)動(dòng)這一轉(zhuǎn)變的物理原理相同——平面縮放最終會(huì)達(dá)到極限，而垂直堆疊可以突破這一極限。制造工藝方面的影響也類似：更高的結(jié)構(gòu)意味著更高的縱橫比，這就需要更精確的刻蝕、更均勻的沉積以及每片晶圓上更多的工藝步驟（我們稱之為沉積和刻蝕強(qiáng)度）。

Lam Reserch在報(bào)道進(jìn)一步指出，人工智能正在不斷提高DRAM的性能、帶寬和能效要求，這不僅增加了執(zhí)行錯(cuò)誤的成本，也提升了成熟工藝領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的價(jià)值?，F(xiàn)代人工智能加速器能夠執(zhí)行海量的并行計(jì)算，但只有當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)速度足夠快，能夠持續(xù)為其提供數(shù)據(jù)時(shí)，它們才能滿負(fù)荷運(yùn)行。DRAM作為工作內(nèi)存，負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)，隨著模型規(guī)模的擴(kuò)大和推理工作負(fù)載的擴(kuò)展，對(duì)帶寬、容量和能效的需求已經(jīng)超過(guò)了當(dāng)前架構(gòu)的承載能力。這就是所謂的“內(nèi)存墻”，它已成為制約人工智能系統(tǒng)性能的關(guān)鍵瓶頸。

這種壓力正推動(dòng)DRAM架構(gòu)的演進(jìn)。高帶寬內(nèi)存解決方案已經(jīng)開(kāi)始采用硅通孔技術(shù)堆疊DRAM芯片，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到16層。在器件方面，更緊湊的單元布局以及最終向3D技術(shù)的過(guò)渡，將需要與NAND閃存轉(zhuǎn)型時(shí)期相同的高縱橫比蝕刻、精密沉積和先進(jìn)圖案化技術(shù)。

這就是類比失效的地方，而理解這一點(diǎn)對(duì)于材料和工具設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵決策至關(guān)重要。

NAND 是一種存儲(chǔ)“熱數(shù)據(jù)”和“冷數(shù)據(jù)”的存儲(chǔ)技術(shù)。當(dāng)業(yè)界轉(zhuǎn)向 3D NAND 時(shí)，主要的工程挑戰(zhàn)在于結(jié)構(gòu)和材料方面——蝕刻深度要足夠，填充要足夠均勻，堆疊要足夠可靠。速度，即納秒級(jí)的訪問(wèn)時(shí)間，并非主要限制因素。

DRAM是工作內(nèi)存，它不斷寫(xiě)入數(shù)據(jù)，為超高速CPU和GPU提供“熱數(shù)據(jù)”。DRAM需要幾乎無(wú)限（10^16）次的讀寫(xiě)循環(huán)，而NAND閃存的讀寫(xiě)循環(huán)次數(shù)只有幾千次。每一次讀寫(xiě)操作的時(shí)間尺度都直接影響系統(tǒng)性能。當(dāng)DRAM采用垂直堆疊結(jié)構(gòu)時(shí)，工程師不能僅僅優(yōu)化密度和良率。他們必須在保持信號(hào)完整性、最大限度降低延遲、控制堆疊層間的電阻的同時(shí)，還要達(dá)到垂直堆疊架構(gòu)所需的結(jié)構(gòu)精度。

這意味著堆疊結(jié)構(gòu)的每一層都需要更嚴(yán)格的電氣規(guī)格。由于信號(hào)必須穿過(guò)更多材料而不發(fā)生衰減，因此字線電阻變得更加關(guān)鍵。即使周?chē)鷰缀谓Y(jié)構(gòu)發(fā)生根本性變化，每個(gè)單元中存儲(chǔ)電荷的電容器也需要保持其性能特性。

還有更復(fù)雜的情況。與NAND閃存不同，NAND閃存在平面工藝發(fā)展停滯后，業(yè)界基本轉(zhuǎn)向了3D工藝，而DRAM制造商卻在積極推進(jìn)平面工藝的發(fā)展，其步伐甚至超過(guò)了許多人的預(yù)期。從6F2到4F2的轉(zhuǎn)變顯著提高了蝕刻、沉積和圖形化的強(qiáng)度，同時(shí)延長(zhǎng)了平面DRAM的使用壽命。這些工藝節(jié)點(diǎn)并非等待3D工藝的到來(lái)；它們正是Lam公司目前已經(jīng)開(kāi)始從中獲利的領(lǐng)域。隨著DRAM最終向垂直方向發(fā)展，4F2工藝的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步增強(qiáng)。這種雙重性——既要支持當(dāng)今最先進(jìn)的平面工藝節(jié)點(diǎn)，又要支持未來(lái)的3D架構(gòu)——是我們NAND轉(zhuǎn)型時(shí)期無(wú)需面對(duì)的戰(zhàn)略和工程挑戰(zhàn)。

推向商用，需要克服幾大難題

為了進(jìn)一步擴(kuò)大這兩種類型的3D DRAM的使用，需要解決幾個(gè)重大挑戰(zhàn)。

首先，我們來(lái)考慮散熱管理。芯片或單元堆疊密度的提高意味著散熱空間越來(lái)越小。尤其是在HBM直接堆疊在GPU上的結(jié)構(gòu)中，GPU運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量可能會(huì)降低DRAM的保持特性，或者由于熱膨脹導(dǎo)致結(jié)失效。因此，使用導(dǎo)熱系數(shù)更高的封裝材料以及設(shè)計(jì)垂直散熱路徑就顯得至關(guān)重要。

接下來(lái)是測(cè)試和良率的難題。對(duì)于傳統(tǒng)的DRAM ，封裝前很容易測(cè)試和修復(fù)（切換到冗余電路）缺陷單元。然而，對(duì)于采用混合鍵合技術(shù)的單元堆疊式3D DRAM和芯片堆疊式DRAM ，一旦層堆疊完成，訪問(wèn)和修復(fù)中間層就變得極其困難。這就需要進(jìn)一步提高“已知良品芯片（KGD） ”選擇的準(zhǔn)確性，從而增加了制造成本。

接下來(lái)是標(biāo)準(zhǔn)化和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)。目前，HBM主要依賴于NVIDIA 、SK海力士和臺(tái)積電（臺(tái)灣）等幾家巨頭公司的緊密合作。然而，要讓3D DRAM普及到普通PC和智能手機(jī)，就需要JEDEC等組織制定開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化方案，并建立一個(gè)允許各種設(shè)備和材料制造商參與的生態(tài)系統(tǒng)。特別是對(duì)于單元堆疊式3D DRAM ，主流技術(shù)和芯片結(jié)構(gòu)尚未確立，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的爭(zhēng)奪預(yù)計(jì)還將持續(xù)。

DRAM的3D轉(zhuǎn)型并非僅僅是技術(shù)上的“附加功能” ，而是對(duì)DRAM架構(gòu)的根本性重新定義。到2030年，哪些技術(shù)將成為主流？哪些公司將引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展？觀察這些趨勢(shì)將有助于我們洞悉人工智能時(shí)代商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的未來(lái)。

*免責(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個(gè)人觀點(diǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)一種不同的觀點(diǎn)，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對(duì)該觀點(diǎn)贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

今天是《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》為您分享的第4375內(nèi)容，歡迎關(guān)注。

加星標(biāo)??第一時(shí)間看推送

求推薦