新型高密度、高带宽3D DRAM问世

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

3D DRAM将成为未来内存市场的重要竞争者。

人工智能（AI）产品已广泛应用于各行各业的不同场景。其中，负责存储数据的随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）元件，在 AI 芯片中起着至关重要的作用。中国科学院下属的国家实验研究院中国台湾半导体研究中心与中国台湾地区的内存制造大厂旺宏电子公司合作，成功研发出 “新型高密度、高频宽 3D 动态随机存取存储器”（3D DRAM）。该存储器具有体积小、高密度、高频宽、能耗低、耐用度高等优势，是全球最早研发出这种新型 3D DRAM 的团队之一。

AI 芯片需要进行极为大量且快速的数据运算。在当前 AI 芯片的整体架构中，是通过半导体封装技术，将二维平面制作的 DRAM 层层堆叠并串联在一起，制成高频宽内存 HBM（High Bandwidth Memory）。然而，内存的带宽仍受到这种封装技术的限制，并且现有的 DRAM 能耗较高，增加了 AI 芯片的总耗电量。

中国台湾研究院半导体中心指出，HBM 中 DRAM 的基本单元由一个晶体管加一个电容组成，以晶体管作为开关，对电容进行充电或放电，从而记录 1 或 0。中国台湾研究院半导体中心与旺宏电子合作研发的 3D DRAM，不采用传统内存中体积较大的电容，而是由两颗氧化铟镓锌（Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO）晶体管串联而成，可将 0 与 1 的信号存储在两颗晶体管之间。这种无电容的新型结构设计，使内存尺寸变得更小，因此在进行 3D 堆叠时能够更紧密，同时也消除了电容导致读写速度慢和耗能高的缺点。中国台湾研究院半导体中心主任表示：“今天 3D DRAM 发布的技术，是希望将我们的内存和运算单元整合在同一颗芯片上，无需借助额外的封装技术，所以它能够从根本上解决我们所需的高频宽限制问题。”

旺宏处长谢光宇指出，旺宏电子的专利制程技术，先将许多层内存的电流通道进行垂直堆叠，再通过一次性蚀刻，制作出内存单元阵列，大幅减少了 3D 堆叠内存的制程步骤，能够节省制作时间、降低成本。

中国台湾研究院半导体中心研究员杨智超指出，双方合作成功研发出的 “新型高密度、高频宽 3D 动态随机存取存储器”，可应用于 AI 芯片中的 HBM 内存。目前，全球仅有少数顶尖研究团队提出了这种 3D DRAM 的雏形及结构，均仍处于实验阶段，尚未进入量产。未来，若半导体中心与旺宏电子合作研发的新型 3D DRAM 能够顺利实现量产，将有望在全球建立领先地位。

不只是旺宏电子，各大存储厂商都非常重视3D DRAM的研发，并将其视为未来内存市场的重要发展方向。他们正在积极投资和推进3D DRAM的研发，以满足不断增长的对高容量、高性能、小存储单元尺寸以及低功耗存储设备的需求。

三星自2019年就已经开始了3D DRAM的研究。该公司认为3D DRAM是半导体行业未来的增长动力，并已在其DS部门内建立了下一代工艺开发团队来研究。三星已经成功研发出128Gb 3D X-DRAM，这是一种高度集成的3D垂直存储器，具有高带宽和低延迟的特性。该公司在2021年宣布，计划在2030年之前投资超过7000亿美元来推动3D DRAM的发展。

美光自2019年也开始研发3D DRAM。该公司表示，3D DRAM可以克服DRAM的物理极限，并计划在未来十年内将3D DRAM的容量扩展到1Tb。美光还指出，3D DRAM可以用于各种应用，包括PC、移动设备、服务器和汽车等。

SK海力士也在积极研发3D DRAM。该公司表示，3D DRAM可以解决带宽和延迟方面的挑战，并已在2021年开始研究。SK海力士预计在2024年之前推出首款3D DRAM产品。

3D DRAM技术的发展前景广阔，随着大数据和人工智能的快速发展，数据中心和云计算需要处理的数据量越来越大。3D DRAM的大容量和高速特性，使得它成为下一代数据中心和云计算的理想内存解决方案。在高性能计算领域，对内存的需求也是巨大的。3D DRAM的高速度和大容量，将有助于提升高性能计算的效率和性能。

随着移动设备的普及，对移动设备的内存需求也在不断增长。3D DRAM的小巧体积和大容量，使得它成为移动设备的理想内存解决方案。在物联网领域，大量的设备需要实时处理和传输数据。3D DRAM的大容量和低功耗特性，使得它成为物联网设备的理想内存解决方案。3D DRAM将成为未来内存市场的重要竞争者，为数据处理需求提供更加高效和可靠的解决方案。

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