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振華航空芯知識：DRAM，新競賽
發(fā)布時間：2024/10/29
三星電子和SK海力士等韓國最大的兩家半導(dǎo)體公司正在關(guān)注下一代刻蝕技術(shù)“低溫”。最初，該技術(shù)是針對高堆棧 NAND 開發(fā)的，但最近發(fā)現(xiàn)正在進(jìn)行測試，以將其應(yīng)用于下一代 DRAM。 據(jù)業(yè)內(nèi)人士28日消息，三星電子、SK海力士等韓國主要存儲器企業(yè)已開始準(zhǔn)備將低溫刻蝕技術(shù)應(yīng)用于DRAM。 蝕刻是半導(dǎo)體制造工藝的關(guān)鍵要素，是去除晶圓上不必要的材料部分的工藝。廣泛應(yīng)用于存儲器和系統(tǒng)半導(dǎo)體領(lǐng)域。 特別是，低溫蝕刻技術(shù)最近引起了半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)注。低溫蝕刻是一種在高達(dá)-60°C至-70°C的環(huán)境下進(jìn)行蝕刻過程的技術(shù)。現(xiàn)有的蝕刻是在高達(dá)-20℃至30℃的環(huán)境下進(jìn)行的。 在低溫環(huán)境下，化學(xué)反應(yīng)性降低，無需保護(hù)膜即可進(jìn)行精確蝕刻。蝕刻速率（每分鐘蝕刻薄膜的孔深度）也得到提高。 由于這些優(yōu)勢，低溫蝕刻將應(yīng)用于三星電子的下一代 NAND“V10”。V10是三星電子計劃明年量產(chǎn)的下一代NAND，預(yù)計是430單元的NAND。 此外，三星電子和SK海力士正準(zhǔn)備將低溫蝕刻技術(shù)應(yīng)用于下一代DRAM。據(jù)了解，目前已從全球主要裝備公司引進(jìn)低溫設(shè)施，正在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測試。 半導(dǎo)體行業(yè)的一位官員表示，“三星電子目前正在測試低溫蝕刻設(shè)備，該設(shè)備打算僅應(yīng)用于現(xiàn)有的 V10 NAND 至 DRAM 生產(chǎn)線”，并補(bǔ)充道，“我們也在最后與合作伙伴分享了相關(guān)計劃”第三季度。” 另一位官員解釋說，“SK海力士正在制定一項計劃，將低溫引入‘下電極’（存儲節(jié)點(diǎn)）的制造中，‘下電極’（存儲節(jié)點(diǎn)）是DRAM中電容器的一個組成部分。”電容器是一種臨時存儲電荷的裝置。 預(yù)計低溫刻蝕最早將在D1d（第七代10納米DRAM）開始應(yīng)用于DRAM量產(chǎn)工藝。目前，存儲器行業(yè)正在準(zhǔn)備從明年開始量產(chǎn)上一代D1c。 此外，由于DRAM是HBM（高帶寬內(nèi)存）的關(guān)鍵要素，預(yù)計將對下一代HBM市場產(chǎn)生影響。HBM是一種通過垂直堆疊多個DRAM來顯著提高數(shù)據(jù)處理性能的存儲器。此外，業(yè)界認(rèn)為低溫也可以應(yīng)用于 TSV（通過硅電極），這是 HBM 制造的關(guān)鍵工藝。 一位半導(dǎo)體行業(yè)相關(guān)人士表示，“無論蝕刻什么材料，較低的溫度一般都有利于蝕刻，因此未來低溫技術(shù)可以應(yīng)用的領(lǐng)域有很多。雖然存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)，但未來很有可能應(yīng)用于 HBM 的量產(chǎn)。”“去做吧，”他說。
三星押注 1c-nm DRAM
據(jù)報道，三星電子正在推進(jìn)其 1c 納米 DRAM，這被視為該公司與高帶寬內(nèi)存 (HBM) 競爭對手競爭的關(guān)鍵潛力。 近日，韓媒報道稱，在三星董事長李在镕的領(lǐng)導(dǎo)下，大批工程師被調(diào)往內(nèi)存部門，協(xié)助建立1c-nm DRAM產(chǎn)線和開發(fā)第六代HBM4產(chǎn)品。
三星 1c-nm DRAM 的開發(fā)吸引了眾多韓國媒體的關(guān)注，因為它對增強(qiáng)三星在 HBM 領(lǐng)域的競爭力具有重要意義。許多人將三星 HBM3 和 HBM3E 向 Nvidia 發(fā)貨延遲歸咎于該公司使用的是低代 1a-nm DRAM，而競爭對手使用的是 1b-nm DRAM。
1c-nm DRAM 預(yù)計將對三星第六代 HBM4 至關(guān)重要，或許可以讓該公司超越競爭對手，然而，一些業(yè)內(nèi)人士對這種做法仍持懷疑態(tài)度。
報道指出，三星似乎已準(zhǔn)備好將 1c-nm DRAM 融入 HBM4 內(nèi)存中，而其主要競爭對手 SK 海力士和美光科技則均計劃在其 HBM4 產(chǎn)品中使用 1b-nm DRAM。
市場觀察人士認(rèn)為，三星打算通過使用更先進(jìn)的 DRAM 技術(shù)來提升其 HBM 競爭力，以扭轉(zhuǎn)目前落后的地位。
盡管如此，許多韓國業(yè)內(nèi)人士仍對三星的 HBM 技術(shù)路線圖表示擔(dān)憂，認(rèn)為這可能會破壞與 DRAM 和 HBM 技術(shù)相關(guān)的現(xiàn)有協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。
DRAM 的性能穩(wěn)定性直接影響 HBM 產(chǎn)品的功效，因為 HBM 是由 DRAM 構(gòu)成的。公司高層表示，公司最初開發(fā) DRAM 是為了計算和移動設(shè)備，然后才將其應(yīng)用于 HBM，以確保產(chǎn)品的可靠性。
不過，三星可能會簡化或繞過上述流程。考慮到設(shè)備投資時間表，1c-nm DRAM 的全面量產(chǎn)可能要到 2025 年上半年，與 HBM4 的量產(chǎn)計劃之間只有不到一年的時間。根據(jù)三星的生產(chǎn)計劃，其新一代 1c-nm DRAM 的首批應(yīng)用可能是 HBM，這與三星以往的做法有所不同。
相比之下，據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱，競爭對手 SK Hynix 于 2024 年 8 月開發(fā)了基于 1c-nm 工藝技術(shù)的 16Gb DDR5 DRAM，但并不打算將其應(yīng)用于 HBM4，據(jù)報道優(yōu)先考慮 HBM 穩(wěn)定性而不是性能增強(qiáng)。
據(jù)此前報道，三星最近在 1c-nm DRAM 開發(fā)中取得了第一顆“好芯片”，這讓公司內(nèi)部燃起了一絲樂觀的希望。然而，專家認(rèn)為，三星要想實(shí)現(xiàn) 1c-nm DRAM 的持續(xù)量產(chǎn)，仍需要大量的準(zhǔn)備工作。三星目前的良率可能低于 10%，因為其獲得的高質(zhì)量芯片數(shù)量與其加工的晶圓數(shù)量相比不足。
另一邊，據(jù)韓國媒體近日報道，三星董事長李健熙近日將系統(tǒng)LSI和晶圓代工部門的開發(fā)人員調(diào)至內(nèi)存部門，彰顯了該公司致力于加速HBM和下一代內(nèi)存技術(shù)的進(jìn)步，以應(yīng)對三星半導(dǎo)體業(yè)務(wù)面臨的挑戰(zhàn)。
三星第六代 HBM4 的開發(fā)不僅需要內(nèi)存技術(shù)人才，還需要具備邏輯芯片開發(fā)經(jīng)驗的晶圓代工廠和系統(tǒng) LSI 人員。與前幾代產(chǎn)品不同，HBM4 在底部有邏輯芯片，其功能類似于 CPU，用于管理 HBM 操作。
據(jù)報道，三星的一些晶圓代工人員已被重新分配到內(nèi)存部門，以協(xié)助 HBM4 的開發(fā)。
此外，有傳言稱，三星已一反常態(tài)地與代工競爭對手臺積電聯(lián)手，彰顯其重新奪回 HBM 技術(shù)領(lǐng)先地位的決心。
SK海力士開發(fā)出業(yè)界首款1c DDR5
八月底，SK海力士宣布，它已經(jīng)開發(fā)出業(yè)界首款采用其 1c 節(jié)點(diǎn)（10nm 工藝的第六代）制造的 16Gb DDR5。 這一成功標(biāo)志著存儲器制程技術(shù)開始極限微縮至接近10納米的水平。 10nm級DRAM技術(shù)的微縮工藝不斷推進(jìn)，難度不斷增加，但SK海力士憑借業(yè)界領(lǐng)先的第五代10nm工藝1b技術(shù)，在業(yè)界首次提高設(shè)計完成度，突破技術(shù)限制。 SK海力士表示，將在年內(nèi)準(zhǔn)備好量產(chǎn)1c DDR5，并于明年開始批量出貨。 為了減少工藝推進(jìn)過程中可能出現(xiàn)的錯誤，并以最有效的方式轉(zhuǎn)移被譽(yù)為性能最佳的DRAM的1b的優(yōu)勢，該公司將1b DRAM的平臺擴(kuò)展用于1c的開發(fā)。 新產(chǎn)品在極紫外（EUV）光刻工藝中采用新材料，同時優(yōu)化了EUV光刻的整體應(yīng)用工藝，與上一代產(chǎn)品相比，成本競爭力有所提升。SK海力士還通過設(shè)計方面的技術(shù)創(chuàng)新，將生產(chǎn)效率提高了30%以上。 預(yù)計將用于高性能數(shù)據(jù)中心的 1c DDR5 的運(yùn)行速度比上一代提高了 11%，達(dá)到 8Gbps。由于功率效率也提高了 9% 以上，SK 海力士預(yù)計，在 AI 時代的發(fā)展導(dǎo)致功耗增加的背景下，采用 1c DRAM 將有助于數(shù)據(jù)中心將電力成本降低多達(dá) 30%。 DRAM 開發(fā)負(fù)責(zé)人 Kim Jonghwan 表示：“我們致力于將具有最佳性能和成本競爭力的 1c 技術(shù)應(yīng)用于我們的主要下一代產(chǎn)品（包括 HBM 1、LPDDR6 2和 GDDR7 3），為客戶提供差異化價值。”“我們將繼續(xù)努力保持在 DRAM 領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，并成為最值得信賴的 AI 內(nèi)存解決方案提供商。”
向DRAM投入大量資金
自誕生以來，DRAM 行業(yè)就一直經(jīng)歷著產(chǎn)量增加和產(chǎn)量縮減的周期，以提高利潤。但現(xiàn)在，兩大制造商將斥資數(shù)十億美元大幅增加 RAM 芯片產(chǎn)量，以滿足對 AI 計算機(jī)永無止境的需求。 三星和 SK 海力士生產(chǎn)各種 DRAM，包括用于 PC 主板的 DDR4 或 DDR5，以及用于顯卡的 GDDR6（現(xiàn)在是 GDDR7）。但對于超級處理器，如 AMD 的Instinct MI300和 Nvidia 的H100，首選內(nèi)存是所謂的高帶寬內(nèi)存 (HBM)。 HBM 的特殊之處在于它由多個堆疊在一起的 DRAM 芯片組成，電力和數(shù)據(jù)通過垂直穿過芯片的電線傳輸（稱為“硅通孔”，簡稱 TSV）。并行訪問大量內(nèi)存可大幅提高讀/寫帶寬。 三星最新的HBM3 Icebolt內(nèi)存使用了 12 層最新的 10 nm DRAM 芯片，總共 16 或 24 GB。AMD Instinct MI300 有八個 HBM3 模塊（128 GB GPU 內(nèi)存），這意味著僅一個加速器就有 96 個 DRAM 芯片。因此，據(jù)《韓國經(jīng)濟(jì)日報》報道，三星和 SK 海力士正在投入大量資金來增加產(chǎn)量。 現(xiàn)在，您可能會想：“嗯，這一切都很有趣，但這只是針對 AI，而不是 PC 游戲。”但事情是這樣的：用于 HBM 的 DRAM 芯片理論上也可以用于其他應(yīng)用，例如系統(tǒng) RAM 或顯卡 VRAM。 HBM 之前也曾用于后者——AMD 是第一家在其Radeon RX Fury系列中使用 HBM 的 GPU 制造商，隨后在RX Vega 64及其同類產(chǎn)品中也使用了 HBM。最新支持 HBM 的游戲顯卡是Radeon VII，遺憾的是，自那以后我們就再也沒有見過它了，因為 GDDR6X 和 GDDR7 的絕對速度提供了足夠的帶寬。 但是，如果市場上充斥著 HBM 模塊的備用芯片，我們可能會看到它在高端市場的回歸，盡管它僅適用于 Nvidia 顯卡，因為AMD暫時退出了該領(lǐng)域。 如果人工智能泡沫破滅，三星和 SK 海力士也有可能最終會擁有大量不再需要的 DRAM 芯片，并可能被重新用于其他產(chǎn)品。我不知道用于 HBM 模塊的內(nèi)存作為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng) RAM 的效果如何，但你永遠(yuǎn)不知道——我們可能會再次看到內(nèi)存價格回到非常低的水平。 然而，由于科技界仍然一心要將一切人工智能化，因此 PC 游戲目前不太可能從 DRAM 產(chǎn)量增加中獲得任何好處。