存储墙问题制约传统DRAM发展。在AI高速发展进程中,大模型规模急剧增长,对计算资源,特别是存储带宽提出严苛要求。过去几十年,服务器硬件算力峰值增长迅速,但DRAM带宽和片间互连带宽增速滞后,导致长达20年内存存取速度落后于处理器计算速度,形成“存储墙”问题。这严重制约了AI模型的训练和推理速度,造成计算资源的巨大浪费。
HBM技术带来存储变革。HBM的出现如一场存储革命,改变了传统DRAM布局。它采用3D堆叠技术,利用硅通孔(TSV)将多个DRAM芯片垂直堆叠,数据传输线路大幅缩短,信号传输更快速稳定。其超高带宽每秒可达1.2TB,是传统DRAM的数倍甚至数十倍,有效缓解了内存带宽压力,提升了计算效率。然而,HBM制造工艺复杂,成本高昂,限制了其大规模应用。
3D铁电RAM潜力巨大 。美国SunRiseMemory公司致力于开发用于AI的3D铁电RAM芯片,采用垂直堆叠的FeFET存储单元,目标存储密度比传统DRAM提高10倍。利用HfO2铁电效应实现非易失性存储,功耗降低90%。该公司认为其能提供高容量、高带宽、低功耗的替代方案,但要实现大规模商业化生产,还需优化材料性能和制造工艺。此外,韩国科学技术院(KAIST)在铁电存储研究上也取得突破,提升了FeFET器件性能,为3DDRAM堆叠奠定基础。
DRAM+非易失性内存革新 。内存供应商NeumondaGmbH与FMC合作销售“DRAM+”非易失性内存。FMC利用HfO2铁电效应将DRAM电容器转变为低功耗、非易失性存储设备。与旧的FeRAM技术相比,HfO2可实现更高密度和性能。Neumonda为其提供咨询和测试平台,但FMC尚未透露DRAM+商用时间和生产细节。
Imec重构DRAM架构。Imec提出2T0C设计的DRAM位单元概念,由两个薄膜晶体管和无电容器组成。基于IGZO的晶体管具有极低关断电流,有利于保留时间和降低功耗。制造IGZO2T0C位单元更简单、成本更低,还能优化DRAM布局,提高密度。imec在相关研究上取得多项突破性成果,该技术被认为是实现3D DRAM的可能方法之一。
相变存储器实现突破。相变存储器(PCM)具备低延时、寿命长等优势。韩国KAIST团队的纳米灯丝技术将PCM功耗降低15倍,解决了传统PCM功耗过高问题,兼具DRAM速度和NAND非易失性,可用于物联网设备。
新型非易失性存储器UK III-V Memory 。英国兰开斯特大学研发的UK III-VMemory基于20nm光刻工艺,写入时间与DRAM相当,写入能耗仅为1%。采用“双阱共振隧道结”存储数据,能在断电时保持数据完整,有望在移动设备存储领域发挥重要作用。
SOT-MRAM技术取得进展。磁阻式随机存取存储器(MRAM)不断发展,德国美因茨约翰内斯古腾堡大学团队与法国Antaios公司合作开发的新型SOT-MRAM,在写入电流和能效比上实现突破,降低了生产成本,适合应用于数据中心和高性能计算领域。
存储产业迎来重构。AI驱动半导体产业进入“架构+材料”双轮驱动时代,存储单元向三维立体发展,数据存储突破易失性边界。未来存储市场将多元化,新型存储技术与HBM相互补充,重塑半导体产业格局,带来新机遇和挑战。