重点内容速览：

1. DRAM技术原理及主要供应商 

2. SRAM技术原理及主要供应商 

3. Flash存储器原理及主要供应商4. 新型存储器产品
 

半导体存储器（Semiconductor Memories），又称为存储芯片，是用半导体集成电路工艺制成、用于存储数据信息的固态电子器件，由大量能够表征0和1的半导体器件（存储元）和输入输出电路等构成，是计算系统的重要部件。半导体存储器具有存取速度快、存储容量大、体积小等优点，更重要的是存储元阵列和主要的外围逻辑电路兼容，可以制作在同一芯片上。因此，现在的半导体存储器不仅用作计算系统的内存，也在逐渐取代磁性存储器，而作为外存，比如说现在流行的固态硬盘等。也就是说，现在的半导体存储器已经广泛应用于内存、U盘、固态硬盘、智能手机、消费电子，以及智能终端中。
 

生活中经常会听到的存储器主要是DRAM（动态随机存储器）和Flash（闪速存储器，简称闪存），比如我们选择电脑或者智能手机的时候，经常会关注是8+256GB，还是16+512GB，甚至是1TB，这里的8GB、16GB一般指的就是DRAM存储器，256GB、512GB，或者1TB指的就是Flash，而且一般都是NAND Flash。其实，除了DRAM和Flash，半导体存储器还有很多种分类。
 

通常，人们会根据数据在存储器中保存时间的长短，将其划分为易失性存储器(Volatile Memory)和非易失性存储器(Non-volatile Memory)。其中，易失性存储器断电后数据就会丢失，所以主要用来存储短时间使用的程序，它主要为随机存取存储器（简称：随机存储器，RAM），分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM），SRAM通常用于CPU的缓冲（Cache）存储器，速度比DRAM更快，不过价格也更高；DRAM主要应用于电脑、数据中心、手机等领域，它具有快速读写的特性。

而非易失性存储器在断电后，仍然能保持存储的数据，它分为只读存储器（ROM）、闪存（Flash）,以及一些新兴的存储器产品。其中，ROM又可分为掩膜ROM、可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦（UVPROM）和电可擦（EEPROM）两种模式的可擦除PROM，它通常用于储存不需要经常更改的系统程序、软件驱动等；Flash又分为两种，一种是NAND Flash，它的写入速度快、成本较低，主要用于手机存储、固态硬盘、移动硬盘、存储卡等设备；第二种是NOR Flash，它的读取速度快，但写入速度慢，成本较高，通常用于主板上的固件、网通设备，以及物联网系统中。
 

那么，这么多种类的存储芯片都有哪些特点，主要的供应商都有谁呢？芯查查带您一探究竟。

  
DRAM技术原理及主要供应商

最近几十年半导体存储器技术显著发展的进程中，由于DRAM具有高密度和每位低价格的优点，已经成为了生产最多的用于计算机主内存的易失性存储器。一直以来，半导体存储器在全球半导体销售中所占的比例还是很大的，多的年份甚至超过了50%，不过由于2023年上半年存储器产品经历了量价持续下跌，而后随着存储厂商主动减产及终端复苏，下游库存水位逐渐回归正常，2023年9月，DRAM价格开始回升，后续期间小幅波动，直到2024年7月再度走低，如今的DRAM价格相对去年7月份价格相对偏低。根据WSTS统计的数据，2024年全球半导体销售额为6,268.7亿美元，其中存储器产品销售额为1,670.5亿美元，占整个半导体销售总额的26.3%。另据CFM闪存市场统计，2024年全球DRAM的销售额为973.7亿美元，占了整个存储器销售额的一半以上。第二大存储器就是NAND Flash，其销售额为696.09亿美元。

DRAM的原理是利用电容器上的电荷存储来代表存储的二进制的逻辑“0”或逻辑“1”。一般来说，DRAM的基本存储电路（即存储元）有两种结构，即多管存储元和单管存储元。多管存储元的缺点是元件多，占用芯片面积大，故集成度较低，但外围电路较简单。单管存储元的元件数量少，集成度高，但外围电路比较复杂。拿单管存储元来说，它由一个MOS管T1和一个电容C构成（如下图）。写入时，字选择线（地址选择线）为1，T1导通，写入的数据通过位线（数据线）存入电容C中。

这种以电容为核心的存储元电路简单，但电容总会漏电，时间长了，存放的信息就会丢失，或出现错误。因此，需要对这些电容定时充电，这个过程称之为刷新。由于需要定时刷新，所以这种RAM被称为动态RAM。DRAM的存取速度一般会比SRAM的存取速度更低，DRAM的主要特点是集成度很高、功耗低，以及价格便宜，主要应用于计算机、数据中心及手机等场景。
前面提到由于DRAM的存取速度比较低，为了改善读写性能，存储器厂商开发出了许多读写操作模式DRAM产品，比如FPM（快页模式） DRAM、EDO（也被称为超快页模式，即HPM） DRAM、RDRAM，以及SDRAM（同步动态随机存储器）等。
 

SDRAM结构的提出是受存取数据要比EDO DRAM快的要求所驱动。DDR SDRAM（双数据速率同步的动态随机存储器）的开发则是受DDR同步猝发SRAM所启发。DDR SGRAM（双数据速率同步图像随机存取存储器）是SDRAM的逻辑扩充。JEDEC将DDR SDRAM/SGRAM结构定为了“JEDEC 21C固态存储器结构”标准，并定期发布这一标准的新版本，这就是我们熟知的DDR3/GDDR3、DDR4/GDDR4、DDR5/GDDR5、以及LPDDR等产品标准。其实，这几年市场紧缺的HBM（高带宽存储器）也属于SDRAM。
 

DRAM是IBM研究员Robert H. Dennard博士在1966年发明，并于1968年获得了专利。第一颗DRAM芯片C1103是英特尔在1970年10月推出的，当时容量只有1Kbit，售价10美元。英特尔曾经在1974年在DRAM市场占有率达到82.9%。早期的DRAM产业给领先国家带来了丰厚的利润，从而引发了众多国家之间的激烈竞争。美国、日本、德国、韩国和中国台湾等地轮流上演了数千亿美元的芯片存储器战争，各方投入巨额资金，竞争激烈，从美国独大，到日本称雄，后面韩美称霸全球，三星、SK海力士、美光三家占了全球DRAM市场90%以上的份额。2017年开始，中国开始加入DRAM竞争大军，并已经有DDR5产品出货了。
 

也就是说，现在的DRAM市场供应商并不多，主要有三星电子、SK海力士、美光、南亚科技、华邦电子、长鑫存储、北京君正、紫光国芯、兆易创新、东芯股份等。其中，三星电子、SK海力士和美光近年来在全力发展HBM和DDR5产品，由于近期DDR价格持续下跌，三星电子、SK海力士和美光等DRAM供应商都宣布了将在2025年内停产DDR3和DDR4产品。国内的长鑫存储也主要发力DRAM先进芯片，比如DDR5等，据公开资料显示，其DDR4，DDR5芯片已经开始出货。其他几家主要聚焦在利基型DRAM产品方面。利基型DRAM主要是指那些存储容量较小、对制程要求不高的DRAM产品，主要应用在机顶盒、智能电视、监控、汽车和工控等领域。中国台湾的南亚科技和华邦电子在利基型DRAM市场占据较大的市场份额，兆易创新和东芯股份在积极布局利基型DRAM市场，北京君正在汽车市场比较有竞争力。

  
SRAM技术原理及主要供应商

SRAM即静态随机存取存储器，其存储元是在静态触发器的基础上附加门控管构成的，靠触发器的自保功能存储数据。只要不掉电，其存储的信息可以始终稳定地存在。下图的SRAM基本存储电路就是由6个MOS管组成的双稳态存储元。

SRAM存放的数据在不掉电的情况下能长时间保留，状态稳定，其外部电路比较简单，便于使用。但是由于SRAM的基本存储电路中包含的晶体管较多，所以集成度较低，而且功耗比较大。
 

目前可提供SRAM产品企业有三星电子、SK海力士、英飞凌、瑞萨、GSI、安森美、Amic Technology、北京君正、伟凌创芯等。
 

Flash存储器原理及主要供应商

在非易失性存储器当中，有只读存储器（ROM）、闪速存储器（Flash），以及其他新型存储器产品。其中ROM从字面意思上看是只能读出信息，而不能随意写入信息的存储器。但随着技术的发展，目前的ROM也可以写入信息，只是与RAM的随机写入相比，ROM的写操作有一定的条件。比如可编程ROM就可以通过电和光照的方法写入要存储的程序和数据，但是只能编程写入一次，写入的数据能够永久保存。
 

随后也出现了可擦可编程ROM（Erasable Programmable ROM，EPROM）,可多次编程写入。用户根据需要编程写入相应的数据，并能够把已写入的内容擦去后再改写。最开始的EPROM芯片上方预留了一个石英透明窗口，需要用紫外线照射芯片上的透明窗口来擦除存储的数据，擦除后可以使用专门的编程写入器对其重新编程。再然后就出现了电擦除可编程ROM（Electrically-Erasable Programmable ROM，EEPROM），其工作原理类似EPROM，只是EEPROM的擦除操作是使用高电平，无需透明窗口。
 

尽管EEPROM能够在线编程，但其编程时间相对RAM来说还是太长了，特别是对大容量的芯片更是如此。人们希望有一种写入速度类似于RAM，掉电后数据又不丢失的存储器。这时候，Flash存储器就被研制出来了，Flash的编程速度快，掉电后数据也不丢失，因此得到了广泛的应用。
 

Flash从技术特性上主要分为NOR Flash和NAND Flash两种。NOR Flash的结构中，每个存储单元是并联的，可以实现按位读取。这种并联结构决定了其具有存储单元可独立寻址，因此适合储存代码，而且其特点是芯片内执行（Execute In Place，XIP），此类型的闪存可以使应用程序直接在闪存内运行，不必将代码读取到系统RAM中。但存储单元的并联结构，还决定了金属导线占用很大的面积，因此NOR Flash的存储密度较低，无法适用于需要大容量存储的应用场景。加上其写入采用了热电子注入方式，效率较低。也就是说，NOR Flash的传输效率很高，但写入和擦除速度较低，比较适合于嵌入式系统、固件存储、启动代码等应用场景。
 

受益于TWS耳机，以及生成式AI浪潮带动算力需求增加，拉动了NOR Flash的需求。比如GPU的增加将带动终端设备增长40~60颗NOR Flash，其搭配的网卡等周边设备也将采用NOR Flash存储。另外AI PC也需要额外的NOR Flash资源。目前NOR Flash的容量也在往512Mb、1Gb，甚至2Gb方向迈进。据Mordor Intelligence的数据，2024年NOR Flash全球市场规模约为26.9亿美元，预计2029年增长至36亿美元。目前NOR Flash的供应商主要有美光、英飞凌、Microchip、华邦电子、旺宏、兆易创新、北京君正、普冉股份、东芯股份、恒烁股份、聚辰股份、复旦微电等。
 

NAND Flash各个存储单元之间是串联的，全部存储单元分为若干个块，每个块又分为若干个页，每个页是512字节。这种串联结构决定了其无法进行位读取，也就是无法实现存储单元的独立寻址，因此程序不可以直接在NAND Flash中运行。NAND Flash是以页为读取和写入单位的，以块为擦除单位。基本存储单元的串联结构减少了金属导线占用的面积，因此NAND Flash的存储密度更高，适用于需要大容量存储的应用场合。NAND Flash采用的F-N隧道效应方式写入数据的，效率较高，适用于频繁擦除和写入的场合，比如固态硬盘、U盘、手机存储等。
 

NAND Flash也是存储器市场的主力，其销售额仅次于DRAM，2024年的销售额为696.09亿美元，约占整个存储器市场销售额的40%。目前NAND Flash的头部厂商包括三星电子、SK海力士、铠侠、美光、西部数据等，除了这些厂商之外，还有长江存储、旺宏电子、华邦电子、兆易创新、江波龙、东芯半导体、普冉半导体、复旦微电子等。
 

其他新型存储器产品

为了突破传统非易失性存储器的尺寸极限，开发出高速、高密度、低功耗的非易失性存储器，近年来，研究者们将目光聚焦在了一些有特殊性能的材料，并依据这些材料提出了一些存储器模型。其中最为引人注目的有以下几种存储器：铁电随机存储器（Ferroelectric RAM，FRAM）、相变存储器（Phase-change RAM，PRAM）、磁阻随机存储器（Magnetoresistive RAM，MRAM）和阻变存储器（Resistive switching RAM，RRAM）。
FRAM采用铁电材料作为存储介质，利用铁电材料的不同极化方向来存储数据。在铁电材料上施加一定大小的电场时，晶体中的原子在电场的作用下发生位移，使得晶体中的正负电荷中心不重合，并处于一种稳定状态（极化向上）；当施加反向电场时，晶体的中心原子向反方向发生位移，达到另一种稳定状态（极化向下）。极化向上或者向下代表着两个双稳态，就可以用来存储二进制的信息“1”和“0”。即使当电场撤销后，极化后晶体中的原子中没有获得足够的能量之前都会保持在原来的位置，因此，FRAM的数据保持不需要电压来维持，是一种非易失性存储器。
 

FRAM具有高速度、低功耗、以及循环性能好等特点。虽然FRAM被认为是有潜力的下一代非易失性存储器，但是目前它还面临四个挑战。一是容量问题，目前FRAM的量产容量仍然有限，最大仅为16Mb；二是擦写循环特性要求更高，因为FRAM每次数据读取都需要重新写入，也就是说，FRAM的读取过程中就伴随着大量的擦写操作；三是存储密度低，由于FRAM的存储单元是1T1C结构，即由1个晶体管搭配一个电容组成，因此FRAM单个存储单元的特征面积太大，同样的线宽下，FRAM的密度将比DRAM和Flash还要低。此外，FRAM的结构中因为电容的存在也使得其很难实现三维存储。
 

供应商方面，目前英飞凌和RAMXEED（原富士通半导体）已经有量产的FRAM产品， SK海力士也有相关技术积累。
 

MRAM是一种利用磁阻效应的非易失性存储器。MRAM的结构中包括固定磁层、隧穿层和自由磁层。MRAM擦写速度快，反复擦写次数高，被认为有潜力替代现在的多种存储器。尤其是最近开发的自旋转移力矩（Spin-transfer Torque，STT）MRAM，利用放大了的隧道效应，使得磁阻变化更加明显。STT MRAM利用自旋电流的特征，有望使其集合DRAM和Flash的共同优点，成为非常有潜力的下一代非易失性存储器之一。尽管如此，MRAM的高低阻态之比还是太小，尤其是当读取电压降低时更加明显。另外，由于磁性材料的原因，MRAM在进行写入和擦除操作时，不同存储单元之间存在磁场干扰问题，器件小型化之后，这一问题将更加突出。
全球主要的MRAM供应商包括Everspin Technologies、Avalanche Technology、瑞萨、Crocus Nano Electronics、三星电子等。
 

PRAM是一种基于相变材料（一种或多种硫族化合物）的非易失性存储器，其主要是利用电流的焦耳热作用下 材料在晶态和非晶态之间的转变来实现存储。相变材料在晶态与非晶态之间的转变必然导致电阻和反射率等性质的变化。
 

PRAM具有重复擦写次数高、存储密度高、具备多值存储潜力等一系列优点。PRAM被认为是取代NOR Flash的候选产品，并且随着微电子加工工艺的发展，PRAM在更小的线宽下有望获得更高的存储密度。但是，高质量的相变材料的制备，以及使材料发生相变所需的大电流是限制PRAM商用化的主要原因。电流大就意味着高功耗，这是PRAM大规模应用前需要解决的主要问题。
 

到目前为止，国际上仅三星电子和英特尔推出了相关产品，但多为非嵌入式相变存储器产品，距离量产和普及还需要一段时间。另外，美光、SK海力士等厂商都有相关研究，而且在2024年3月意法半导体和三星电子联合推出了18nm FD-SOI工艺，支持嵌入式相变存储器（ePCM）。
 

RRAM利用某些薄膜材料在外加电场的作用下，表现出的两个或两个以上的不同电阻态来实现数据存储，是近几十年来受到学术界和工业界广泛关注的一种新型非易失性存储器。RRAM具有擦写速度快，存储密度高、重复擦写次数高、多值存储和三维存储潜力等众多优点。RRAM还面临两大核心问题，一是存储材料体系的选择和优化；二是器件结构的设计。
 

在商业化上，富士通、松下、Crossbar、昕原半导体、Adesto、索尼、美光、SK海力士等厂商均已在开展RRAM相关的研究和生产工作。代工厂方面，中芯国际、台积电和联电都在同步规划RRAM的生产。量产的产品主要有Adesto的130nm CBRAM和松下的180nm RRAM。