新型高密度、高帶寬3D DRAM問(wèn)世

人工智能（AI）產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的不同場(chǎng)景。其中，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的

人工智能（AI）產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的不同場(chǎng)景。其中，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）元件，在 AI 芯片中起著至關(guān)重要的作用。中國(guó)科學(xué)院下屬的國(guó)家實(shí)驗(yàn)研究院中國(guó)臺(tái)灣半導(dǎo)體研究中心與中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的內(nèi)存制造大廠旺宏電子公司合作，成功研發(fā)出「新型高密度、高頻寬 3D 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器」（3D DRAM）。該存儲(chǔ)器具有體積小、高密度、高頻寬、能耗低、耐用度高等優(yōu)勢(shì)，是全球最早研發(fā)出這種新型 3D DRAM 的團(tuán)隊(duì)之一。

AI 芯片需要進(jìn)行極為大量且快速的數(shù)據(jù)運(yùn)算。在當(dāng)前 AI 芯片的整體架構(gòu)中，是通過(guò)半導(dǎo)體封裝技術(shù)，將二維平面制作的 DRAM 層層堆疊并串聯(lián)在一起，制成高頻寬內(nèi)存 HBM（High Bandwidth Memory）。然而，內(nèi)存的帶寬仍受到這種封裝技術(shù)的限制，并且現(xiàn)有的 DRAM 能耗較高，增加了 AI 芯片的總耗電量。

中國(guó)臺(tái)灣研究院半導(dǎo)體中心指出，HBM 中 DRAM 的基本單元由一個(gè)晶體管加一個(gè)電容組成，以晶體管作為開(kāi)關(guān)，對(duì)電容進(jìn)行充電或放電，從而記錄 1 或 0。中國(guó)臺(tái)灣研究院半導(dǎo)體中心與旺宏電子合作研發(fā)的 3D DRAM，不采用傳統(tǒng)內(nèi)存中體積較大的電容，而是由兩顆氧化銦鎵鋅（Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO）晶體管串聯(lián)而成，可將 0 與 1 的信號(hào)存儲(chǔ)在兩顆晶體管之間。這種無(wú)電容的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使內(nèi)存尺寸變得更小，因此在進(jìn)行 3D 堆疊時(shí)能夠更緊密，同時(shí)也消除了電容導(dǎo)致讀寫速度慢和耗能高的缺點(diǎn)。中國(guó)臺(tái)灣研究院半導(dǎo)體中心主任表示：「今天 3D DRAM 發(fā)布的技術(shù)，是希望將我們的內(nèi)存和運(yùn)算單元整合在同一顆芯片上，無(wú)需借助額外的封裝技術(shù)，所以它能夠從根本上解決我們所需的高頻寬限制問(wèn)題?！?/p>

旺宏處長(zhǎng)謝光宇指出，旺宏電子的專利制程技術(shù)，先將許多層內(nèi)存的電流通道進(jìn)行垂直堆疊，再通過(guò)一次性蝕刻，制作出內(nèi)存單元陣列，大幅減少了 3D 堆疊內(nèi)存的制程步驟，能夠節(jié)省制作時(shí)間、降低成本。

中國(guó)臺(tái)灣研究院半導(dǎo)體中心研究員楊智超指出，雙方合作成功研發(fā)出的「新型高密度、高頻寬 3D 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器」，可應(yīng)用于 AI 芯片中的 HBM 內(nèi)存。目前，全球僅有少數(shù)頂尖研究團(tuán)隊(duì)提出了這種 3D DRAM 的雛形及結(jié)構(gòu)，均仍處于實(shí)驗(yàn)階段，尚未進(jìn)入量產(chǎn)。未來(lái)，若半導(dǎo)體中心與旺宏電子合作研發(fā)的新型 3D DRAM 能夠順利實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，將有望在全球建立領(lǐng)先地位。

不只是旺宏電子，各大存儲(chǔ)廠商都非常重視 3D DRAM 的研發(fā)，并將其視為未來(lái)內(nèi)存市場(chǎng)的重要發(fā)展方向。他們正在積極投資和推進(jìn) 3D DRAM 的研發(fā)，以滿足不斷增長(zhǎng)的對(duì)高容量、高性能、小存儲(chǔ)單元尺寸以及低功耗存儲(chǔ)設(shè)備的需求。

三星自 2019 年就已經(jīng)開(kāi)始了 3D DRAM 的研究。該公司認(rèn)為 3D DRAM 是半導(dǎo)體行業(yè)未來(lái)的增長(zhǎng)動(dòng)力，并已在其 DS 部門內(nèi)建立了下一代工藝開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)研究。三星已經(jīng)成功研發(fā)出 128Gb 3D X-DRAM，這是一種高度集成的 3D 垂直存儲(chǔ)器，具有高帶寬和低延遲的特性。該公司在 2021 年宣布，計(jì)劃在 2030 年之前投資超過(guò) 7000 億美元來(lái)推動(dòng) 3D DRAM 的發(fā)展。

美光自 2019 年也開(kāi)始研發(fā) 3D DRAM。該公司表示，3D DRAM 可以克服 DRAM 的物理極限，并計(jì)劃在未來(lái)十年內(nèi)將 3D DRAM 的容量擴(kuò)展到 1Tb。美光還指出，3D DRAM 可以用于各種應(yīng)用，包括 PC、移動(dòng)設(shè)備、服務(wù)器和汽車等。

SK 海力士也在積極研發(fā) 3D DRAM。該公司表示，3D DRAM 可以解決帶寬和延遲方面的挑戰(zhàn)，并已在 2021 年開(kāi)始研究。SK 海力士預(yù)計(jì)在 2024 年之前推出首款 3D DRAM 產(chǎn)品。

3D DRAM 技術(shù)的發(fā)展前景廣闊，隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算需要處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大。3D DRAM 的大容量和高速特性，使得它成為下一代數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算的理想內(nèi)存解決方案。在高性能計(jì)算領(lǐng)域，對(duì)內(nèi)存的需求也是巨大的。3D DRAM 的高速度和大容量，將有助于提升高性能計(jì)算的效率和性能。

隨著移動(dòng)設(shè)備的普及，對(duì)移動(dòng)設(shè)備的內(nèi)存需求也在不斷增長(zhǎng)。3D DRAM 的小巧體積和大容量，使得它成為移動(dòng)設(shè)備的理想內(nèi)存解決方案。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，大量的設(shè)備需要實(shí)時(shí)處理和傳輸數(shù)據(jù)。3D DRAM 的大容量和低功耗特性，使得它成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的理想內(nèi)存解決方案。3D DRAM 將成為未來(lái)內(nèi)存市場(chǎng)的重要競(jìng)爭(zhēng)者，為數(shù)據(jù)處理需求提供更加高效和可靠的解決方案。