《先进存储器技术及应用发展研讨论坛》会议报道

聚焦存储，创芯未来

2021年10月23日，《北京微电子国际研讨会暨ICWorld大会·先进存储器技术及应用发展研讨论坛》在北京亦庄亦创国际会展中心举行，来自国内外存储行业的顶尖学者和企业精英共100人参加了会议。会议主题为“聚焦存储 创芯未来”，共有13位重量级嘉宾在现场分享了他们对先进存储器的技术前沿、创新之路和产业发展新趋势的见解。

会议开场，超弦研究院的执行副院长赵超博士以主持人的身份对北京超弦存储器研究院进行了简要介绍。作为一家2020年落户亦庄的科技类民办非企业单位，北京超弦存储器研究院以建设中国存储器产业国家级自主研发平台，打造具备全球影响力的存储器研究院为己任。他认为，目前国产存储器芯片制造企业已经登上了世界舞台，实现了从零到1的突破，在未来的4-5年将进入一个没有先行者的技术无人区，超弦研究院希望在这个无人区内提前进行路径探索。赵超说：“我们定义了七八个研究方向，欢迎业内同行到我们研究院进行交流，开展各种形式的合作。今天我们组织这个会议就是开展对外合作、搭建产学研对接平台的一个举措。” 赵超还介绍了研究院的对外合作计划，从先进DRAM和新型存储器技术研发到承接国家科技计划项目、人才联合培养、建立知识产权和专利联盟等。

合肥长鑫的执行副总裁曹堪宇博士做了首场报告。他首先比较了集成电路行业中IDM和foundry 这两种商业模式各自的优势，介绍了DRAM制程的演进历史和DRAM架构、图形化、选通管和电容技术的发展路线。他认为DRAM芯片作为精密工业制造的皇冠之一和集成电路芯片市场中最大的单品品类，对于生产成本有着极致的要求，使DRAM技术面临巨大挑战。通过近年来的不懈努力，以长鑫存储为代表的国产供应商初步建立了自主研发制造DRAM存储器的能力。目前DRAM存储器架构演进正在日益逼近物理极限，使技术发展的难度迅速增加。未来国内DRAM产业必须通过开展广泛深入的产学研合作，才能实现可持续发展。

超弦研究院首席科学家戴瑾博士做了题为《近存计算与计算架构革命》的演讲。他认为大数据时代带来了存储的爆炸性增长。越来越多的IO-Intensive应用对CPU的要求并不高，而以NAND闪存为存储介质的SSD提供了更快的读写速度和更低的读写功耗。大数据应用的功耗和性能瓶颈，集中到SSD与主机接口以及网络的功耗与带宽上。其中功耗问题使电费成为数据中心的第一运营成本，成为影响到环境的国家和社会的关注点。把部分计算任务放到SSD内部进行的近存计算，是解决上述困难的最佳途径。但在现有的计算架构中，SSD没有智能的block IO设备，不知道存储的内容，甚至也不知道具体内容的存放位置。要走通近存计算这条道路，就必须打破现有的计算架构。他在报告中提出了新一代的架构方案：SSD作为存储服务器，运行接口可扩展的对象存储系统负责管理内容的存储，同时承担信息类的计算。各种新型存储技术可以在这个新架构中扮演重要角色。该架构将极大地降低大数据应用的功耗，同时克服各种带宽瓶颈，从而提供更高的性能。得益于其更高效的存储管理机制，即使在传统的运行模式下，仍然可以提供更好的性能和更低的功耗。

来自中科院微系统所的宋志棠研究员给出了题为《相变存储器》的报告。宋老师是国家相变存储器（PCM）首席科学家，中科院特聘研究员，也是国际知名的相变存储器专家。他在报告中指出相变存储器（PCM）正处在商业化的高速发展阶段，PCM不仅性能优异，更由于采用多晶材料而具有适合制造3维整列的优点。报告系统地介绍了他领导的团队近几年取得的世界级的研发成果，包括PC合金的筛选和优化、选通管材料的设计和优化以及相变存储器制造工艺等方面的创新性成果和核心发明专利。报告还对嵌入式PCM在解决我国消费类电子产品的升级换代、人工智能芯片和多阻态芯片等领域的应用做了系统性阐述。

超弦存储器研究院的首席科学家肖德元在会上介绍了研究院近期开展的《采用围栅无结场效应晶体管的动态存储器单元研究》，简要回顾了1T1C DRAM产品及选择晶体管器件结构的演进，认为进一步等比例缩小现有DRAM器件在光刻和刻蚀等图形化工艺上面临着极大的挑战，不仅带来因工艺窗口急剧萎缩带来的成品率困难，而且带来难以接受的成本增长。采用无结型垂直环栅晶体管（VGAAFET）有望大幅简化存储阵列图形的复杂度，减轻光刻、刻蚀图形化的难度，有效提升产品的良率，降低制造成本。他对基于VGAAFET的DRAM工艺流程、技术难点和不同的解决方案给出了深入系统的分析，并展示了研究院团队近期取得的进展。

清华大学集成电路学院院长吴华强教授的报告主题是《基于忆阻器的存算一体技术》。吴院长认为随着人工智能、大数据、物联网等新一代信息技术兴起，数据量呈现爆炸式增长，对传统计算系统的算力支撑提出了巨大挑战。受限于存储与计算分离的架构问题，传统计算芯片的算力提升遭遇瓶颈。基于忆阻器的存算一体技术，以忆阻器为基本计算器件，实现乘法和加法基本算子，基于物理定律进行模拟计算，实现数据存储和计算的器件级融合。这种新器件、新原理和新架构的底层变革性创新，极大减小了任务处理中数据在存储和计算单元间搬移的时间、能量开销，以更小的功耗和面积实现更高的算力增长。吴院长介绍了忆阻器存算一体方向在器件、电路、架构、算法等不同层面的研究进展，展示了存算一体芯片在算力和能效方面的巨大优势，同时，对未来的发展趋势做了展望。

北京航空航天大学集成电路科学与工程学院院长赵巍胜教授做了题为《“后摩尔时代”自旋存储芯片技术》的报告。报告认为，利用电子的自旋属性，巨磁阻及隧穿磁阻等微纳器件在过去的30年中快速发展，带来了数据存储的革命，开辟了大数据信息时代。1995年，结合自旋电子学和半导体技术的磁存储器和传感器芯片相继问世，其中第一代磁存储器芯片因其优异的可靠性，从2006年起成为世界航空航天芯片的主流存储技术。磁传感器芯片也在2016年在高端手机上大规模使用。2018年，国际上三大芯片代工企业均宣布将开始量产嵌入式STT-MRAM芯片。而有第三代磁存储芯片之称的SOT-MRAM，被认为是后摩尔时代可彻底解决功耗瓶颈、支撑高能效比人工智能的关键技术，具有重要的应用前景。报告系统介绍了北航集成电路学院在第三代磁存储芯片技术领域取得的国际水平的成果，并讨论了我国在该领域的发展机会。

下午，西安紫光国芯半导体有限公司的总裁任奇伟博士做了题为《异质集成嵌入式DRAM的技术及应用》的报告。任奇伟博士也谈到了数据传输的带宽和功耗面临的“存储墙”问题，指出基于混合键合技术的异质集成嵌入式DRAM (SeDRAM) 技术是解决上述挑战的先进方案之一。报告介绍了紫光国芯在基于晶圆间混合键合技术的异质集成制造工艺、存储和计算芯片的协同设计、异质集成及测试流程等方面的研究成果，展示了该技术在实现芯片内嵌超高带宽，超低功耗，超大容量等方面的巨大优势，并介绍了基于SeDRAM的近存计算和存算一体新型架构在超算、人工智能、大数据分析、智能物联网等方面的应用前景。

北京兆易创新股份有限公司存储器市场部主管刘耕辰的报告主题是《利基型DRAM市场现状与行业动态研究》。他指出科技发展日新月异，科技发展的应用场景越来越丰富，越来越多意想不到的科技产品融入并辅助我们的生活。因此，利基型市场的动态与发展已经成为半导体发展中越来越备受关注的一部分。兆易创新针对利基型DRAM市场研究主要分为三大领域：第一，大众消费电子类，包含智能家居、可穿戴设备、数字显示、多媒体、互联网等领域，特别是最近爆火市场的点读笔，除了传统做电子教育设备的厂家之外，越来越多物联网公司也争相加入这块市场。第二，在工业品领域，应用于网络、工业控制、智能安防监控，较新颖的应用场景有加速卡、云电脑，一直在悄悄渗透市场。第三，在车载领域，自动驾驶是目前非常热门的话题，随着智能驾驶的份额越来越高，辅助驾驶功能越来越强，对DRAM的需求也日益增大。智能家居领域，带摄像头的扫地机器人，华为提出的智能屏的概念给人们带来了更好的家庭娱乐、休闲体验，进一步带动越来越多电视品牌厂家也推出带AI摄像头的电视机产品。智能音箱、智能安防、智能门锁都具有很好的发展与成长性，也都值得持续关注。他认为服务机器人、智慧路灯、智能电单车等智慧城市的落地场景，以及中国自己的信创笔记本、云电脑、带屏会议电话将是接下来5年比较有潜力的存储产品应用领域。

中国科学院微电子研究所研究员许高博的报告主题是《氧化物半导体存储器》。报告指出氧化物半导体晶体管具有低漏电、高开关比和低工艺温度等优点。除了在传统的平板显示技术中的应用，其在DRAM领域的应用越来越受到重视。随着摩尔定律的延续，电容器的微缩成为限制1T-1C结构DRAM持续微缩的瓶颈。为了克服其持续微缩的难题，国际上提出了新型无电容DRAM概念，其存储单元采用基于氧化物半导体晶体管的“2T-0C”结构作为存储单元，氧化物半导体晶体管作为选通管具有非常低的漏电和高的开关比，有利于实现具有长保持时间的高性能DRAM存储器，且集成工艺与CMOS制程兼容，在面向AI终端的嵌入式DRAM和三维DRAM方面具有很大的应用前景。

北京大学微纳电子学系助理研究员王宗巍的报告主题是《面向嵌入式存储与新计算范式的新型存储技术》。王博士梳理了当前存储和计算技术发展的趋势和特质，分析了从计算密集型到数据密集型，从提高性能到降低能耗，从结构化数据到半结构化或非结构化数据的发展趋势。报告认为传统的CMOS芯片面临诸多挑战，在器件、架构、能耗方面存在瓶颈，目前突破的点在于高性能存储、存内计算和类脑计算。王博士还介绍了新型非易失性存储器的器件结构和工艺，业界最领先的企业和产品以及技术进展，认为嵌入式存储器的总体需求与特点在工业领域和消费品领域各有不同，新型存储器（包括磁存储器、阻变存储器、相变存储器、铁电存储器）的单一技术尚无法统一市场。

东南大学电子科学与工程学院副研究员司鑫博士做了题为《基于静态随机存储器的存内计算电路设计》的报告，他认为随着大数据时代的蓬勃发展，人工智能和物联网应用快速成长，尤其是面向边缘端的感知场景，需要对数据进行大量且频繁的访问和计算，因而迫切需要高能效的智能处理器芯片。在基于传统冯诺依曼架构的处理器设计中，存储单元和计算单元之间的数据交互必须经由有限的数据总线，系统的性能很大程度上限制在总线的带宽以及存储单元的读写功耗上。为了打破这一“存储墙”的瓶颈，存内计算受到了广泛的关注，基于存内计算的系统架构在保留存储单元自身所具有的存储和读写功能的同时，还可以支持不同的逻辑或者矩阵乘加运算，从而在很大程度上减少了计算单元和存储单元之间频繁的总线交互，也进一步减少了大量的数据搬移量和由此带来的功率消耗，从而极大地提升系统的能耗效率。报告根据国内外基于静态随机存储器（SRAM）的存内计算设计现状，着重阐述了存内计算设计的挑战和发展趋势。

作为存储器芯片用户企业的代表，腾讯服务器供应链NPI负责人陈烽英报告了《云应用下的存储需求》。他提到随着云服务和大数据等应用的高速发展，结合CPU多核技术的不断迭代，从应用层面对DRAM/SSD/HDD等提出了新的需求，例如：每核的平均带宽，每TB的性能等。存储部件近几年在容量上不断增大，但是性能并没有得到对应的提升，由此造成了一系列瓶颈。他重点从应用角度分析了目前各存储部件发展带来的问题。他还指出，随着国内CSP体量的增大，对供应安全以及质量方面，也提了新的要求。他认为存储器需求企业对存储器部件产品的核心诉求是在供应安全、高质量和低成本之间达到一种平衡。

论坛在现场嘉宾的掌声中结束，主持人赵超盛情邀请与会嘉宾与研究院开展交流合作，期待明年的论坛有更多的专家学者和行业领袖参与。