一、作为RAM的主力产品——DRAM

存储器是通过磁性材料或半导体材料作为介质，通过排列在二维网格中的数据或程序代码进行信息存储。已实现规模化量产的半导体存储器产品按照断电后存储的信息是否留存分为易失性存储（RAM），非易失性存储（ROM）两大类。

半导体存储器行业中，DRAM与Flash分别作为易失性存储和非易失性存储两大类别的市场需 求主力，销售额占比稳定高于 90%。本文将重点关注DRAM的技术路径、制程产品及产业发展情况。

易失性存储（RAM）是指通电状态下用于临时数据存储，以供主系统CPU读写和处理，断电情况下不会保存数据；可以实现对数据的高速读写，通常用于存储临时运行的程序命令。

DRAM （Dynami c Random A ccess Memory），即动态随机存取存储器，是 将数据位存储在所谓的存储或记忆单元中，由一个电容器和一个晶体管组成。 存储单元通常被组织成一个矩形配置。 当电荷被送过一列时，该列的晶体管被激活。 DRAM存储单元是动态的，这意味着它每隔几毫秒就需要被刷新或给予新的电子电荷，以补偿电容器的电荷泄漏。 存储单元将与其他电路一起工作，这些电路可以用来识别行和列，跟踪刷新过程，指示一个单元是否接受电荷，以及从一个单元读取或恢复数据。

DRAM有许多类型，常见类型如表1所示。

表1 常见DRAM类型

DRAM的优点主要有设计简单，与SRAM（Static Random Access Memory，静态随机存取存储器）等替代类型的存储器相比成本较低，能够提供更高的密度水平，存储更多的数据以及在程序运行时可以刷新和删除内存。但是其缺点也很明显，主要有内存不稳定，功耗大，制造复杂，存储单元中的数据需要被刷新以及速度相较于SRAM更慢。

二、DRAM制程与主要产品

1、DRAM制程

在制程方面，如今电路结构是三维的，因此出现了1X、1Y、1Z、1α、1β、1γ之类的术语表达制程。业界认为，10nm~20nm系列制程至少包括六代，1X大约等同于19nm，1Y约等同于18nm，1Z大约为16-17nm，1α、1β、1γ则对应12—14nm（15nm以下）。

三大内存厂商DRAM发展路线图

图片来源：全球半导体观察

2、DRAM主要产品

DRAM产品主要有MODULE、DDR、LPDDR、HBM、GDDR等，目前采用EUV光刻技术的产品出现在DDR系列和LPDDR系列。

DDR，亦称DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM），其为PC端或消费电子（手机，平板）中的内存。它允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据，主要作用是为了和CPU频率同步，进而提高数据传输效率。

现如今，DDR已经发展到DDR5。从DDR到DDR5的变化主要表现在DDR的性能，容量和省电三个方面。其IO（IO clock）的速率越来越高，规范的工作电压越来越低，芯片容量越来越大。表3列出了DDR至DDR5历代在三个方面的比较。

表3 DDR-DDR5历代比较

注：Prefetch，即“预读取文件”，是DDR时代提出的技术，用来存放系统已访问过的文件的预读信息。

Burst Length，即“突发长度”，突发是指在同一行中相邻的存储单元连续进行数据传输的方式，突发长度在DDR SDRAM中指连续传输的周期数。

LPDDR（Low Power Double Data Rate SDRAM），即低功耗双倍数据速率内存，主要用于移动端电子产品。表4从电压和Prefetch方面对历代LPDDR进行了比较。

相较于DDR而言，LPDDR速度更快，功耗更低，但由于其电压较低，因此其内部工作频率也较低。

三、DRAM制造技术简析

高资金壁垒、高技术壁垒促使 DRAM 供应端形成寡头垄断市场。存储芯片的设计与制造产业具备较高的技术壁垒和资本壁垒。在进入10nm级制程DRAM量产的阶段后，EUV光刻机生产成为核心环节。

作为芯片制造的核心设备，光刻机的主要类型如表2所示。

表1 光刻机主要类型

可以看出，EUV具有最短的光的波长，这代表其光刻的刀锋最为锋利，能光刻出更精细的图案，使芯片存储更多的数据，能够满足10nm级芯片的制造工艺。

不过，由于摩尔定律，DRAM工艺微缩变得越来越困难。因此许多内存芯片厂商改变了研究路线，将存储单元堆叠至逻辑单元上方来实现单位面积上更高的容量，该新型堆叠存储方式被定义为“3D DRAM”。

1、EUV光刻技术

EUV（Extreme Ultraviolet Lithography）代表“极紫外”，它指的是光的波长。用于EUV光刻的光的波长为13.5nm，EUV光刻能够在微芯片上制作精细的细节，可以让芯片在相同的表面积内存储更多的数据。采用EUV光刻技术生产DRAM可以用更小更精细的形式绘制电路、节省掩模成本和光刻处理步骤、芯片能耗更令人满意。在部署EUV后，芯片的表面积得到了更有效的利用。

在光刻中，为了产生EUV光，在激光产生的LPP（Laser-Produced Plasma, 激光等离子体光源）中，直径约为25μm的熔融锡液滴以每秒70米的速度从一个发生器中喷射出来。当他们滴落下来时，这些液滴首先被一个低强度的激光脉冲击中，将它们压成薄饼状。之后，一个更强大的激光脉冲将被压扁的液滴汽化，产生一个发射EUV光的等离子体。为了产生足够的光来制造微芯片，这个过程每秒钟要重复5万次。几个多层反射镜将EUV光引导到晶圆上，将网纹图案缩小4倍。晶圆平台将晶圆在光下定位到每次曝光的四分之一纳米之内，每秒检查和调整2万次。

ASML目前完全独有EUV光刻技术。ASML第1套EUV生产系统TWINSCAN NXE:3300于2013年发货，标志着这项新技术的发展又向前迈进了一步。自2016年起，客户订购NXE:3400的数量增加。2020年初，ASML的EUV系统的出货量达到100台。

2020年3月，三星电子率先使用在DRAM量产中引入EUV光刻机。2021年7月，SK海力士第四代10nm级（1a）制程8Gigabit（Gb）LPDDR4移动设备专用DRAM通过EUV光刻机量产。稍显保守的美光则将在2024年生产基于EUV的DRAM。

DDR和LPDDR作为两大主力系列，均以通过EUV光刻机进行量产。

（1）DDR系列

2022年12月20日，三星电子宣布开发出采用业界首个12nm级工艺技术制造的16Gb DDR5 DRAM，并完成了与AMD兼容的产品评估。该12nm范围的DRAM是推动市场广泛采用DDR5 DRAM的一个关键因素，其拥有的较高性能和电源效率将可能使其成为下一代计算数据中心和人工智能驱动系统等领域更可持续的运营基础。

通过使用增加电池电容的新型high-k材料和改善关键电路特性的专有设计技术，结合多层EUV光刻技术，新型DRAM具有业界最高的芯片密度，可将晶圆生产率提高20%。利用最新的DDR5标准，三星电子的12nm级DRAM将有助于解锁高达7.2Gbps的速度，这相当于在1秒内处理两部30GB的UHD电影。

在速度提升的同时，其电源效率也有所提升。与之前的DRAM相比，12nm级DRAM的功耗降低了23%。

随着2023年开始量产，三星电子计划将基于这种尖端的12nm级工艺技术的DRAM阵容扩大到广泛的细分市场。

2023年1月12日，SK海力士宣布其用于服务器的DDR5 DRAM采用EUV光刻技术的1αnm技术，在行业历史上首次得到了第四代英特尔®至强®可扩展处理器（原代号为Sapphire Rapids）的验证。

该DDR5 DRAM为服务器客户提供了良好的每瓦性能和碳减排效果，与DDR4 DRAM相比，它的功耗降低了20%，性能提升了70%以上。

（2）LPDDR系列

2021年7月12日，SK 海力士宣布已于7月开始量产基于1αnm的8Gb LPDDR4移动DRAM，是第四代10nm工艺技术。这是SK 海力士在1Ynm DRAM上部分采用了尖端光刻技术并证明了其稳定性后，首次采用EUV设备进行大规模生产。

该新DRAM可以稳定地运行4266Mbps，这是标准的LPDDR4移动DRAM规格中最快的传输速率，并且功耗降低了20%。SK海力士希望EUV能带来生产力的提高，并且进一步提高成本竞争力。其预计与以前的1Znm节点相比，1αnm技术将使相同尺寸的晶圆生产的DRAM芯片数量增加25%。同时，随着全球DRAM需求的增加，其预计1αnm DRAM也将有可能有助于缓解全球市场的供需状况。

2022年10月18日，三星电子宣布其生产的最新LPDDR5X DRAM具有业界最快的8.5Gbps速度，并已通过验证，可在Snapdragon®移动平台上使用。三星电子表示，该DRAM采用14nm节点制造，该节点采用EUV光刻技术。

2、3D DRAM技术

3D DRAM是一种将存储单元堆叠至逻辑单元上方的新型存储方式，可以实现单位面积上更高的容量，其已被主要设备供应商和领先的DRAM制造商考虑作为长期扩展的潜在解决方案。

作为DRAM向3D DRAM发展的主要代表产品，HBM（High Bandwidth Memory，高带宽存储器）技术是标准化的堆栈式内存技术，可为堆栈内部以及存储器与逻辑之间的数据提供非常宽的通道。该技术主要通过TSV（Through Silicon Via, 硅穿孔）技术进行芯片堆叠，以增加吞吐量并克服单一封装内带宽的限制，将数个DRAM裸片垂直堆叠，裸片之间用TSV技术连接。HBM充分利用空间，缩小面积，突破了内存容量与带宽瓶颈。但是HBM技术也存在限制，其堆栈的大小和它所要求的接近处理器芯片的程度限制了可以连接到处理器的堆栈数量。

由于开发新材料的困难和物理限制，3D DRAM商业化还需要一些时间。有业内人士预测，3D DRAM将于2025年左右问世。一些企业正在考虑开发3D DRAM。

三星电子已经开发出一种用于堆叠电池的技术。此外，三星电子还在考虑增加DRAM晶体管的栅极（电流栅极）和沟道（电流路径）之间的接触面。当栅极和通道之间的接触面增加时，晶体管可以更精确地控制电流。

美光提交了与三星电子不同的 3D DRAM 专利申请，其方法是在不放置单元的情况下改变晶体管和电容器的形状。

四、主要生产企业简史

根据IC Insights报告中的数据显示，在2021年DRAM市场中，三星电子、SK海力士和美光共占据了该市场约94%，其中三星电子的市占比为43.6%，SK海力士为27.7%，美光为22.8%。

DRAM产业具有成长和周期双重属性，周期性意味其市场会产生明显波动。在DRAM发展的五十多年中，已经经历了五次大萧条。2022年DRAM市场再次经历了波动，造成了其营收上的亏损。此外，地缘政治的不确定性也对其产生了影响。美国总统拜登签署的《2022年芯片和科学法案》限制了企业向中国出口芯片。这一法案的发布致使芯片制造企业的发展受阻，造成了芯片供大于求的市场现状。根据上述三家企业财报，2022财年第四季度三家企业均有亏损。具体内容见表5。

2022财年第四季度营收情况(单位：亿美元)

表5显示，SK海力士在2022财年第四季度营收亏损的最严重，较同年第三季度降低了30%，较2021财年第四季度降低了38%。三星电子的营收亏损最少，较同年第三季度与2021财年第四季度均降低了8%。

1、三星电子

三星电子在1984年开发了256Kb DRAM，1986年开发1Mb DRAM，并于1988年开发了4Mb DRAM。 在20世纪80年代中后期，三星电子成为全世界计算机和电子制造商的低成本、商品级DRAM的重要供应商。 1992年，三星电子开发出世界上第一款64M DRAM， 1994年开发出256Mb DRAM， 1996年开发出1Gb DRAM。

三星电子在2005年开发了DDR3 DRAM，于2009年开始大规模生产40nm级2Gb DRAM，并于2016年开始生产10nm级DRAM。2018年，三星电子开发了行业第一款8Gb LPDDR5。

在三星电子2022年10月举办的科技日上，谈及其代工业务、逻辑芯片和存储器业务，即将推出32GB DDR5 DRAM，8.5 Gbps LPDDR5X DRAM和36Gbps GDDR7 DRAM。

图片来源：SAMSUNG'S MEMORY TECH DAY

2、SK海力士

SK海力士在1985年开始量产64Kb DRAM和256Kb DRAM，1990年开始生产1M DRAM，1991年开始量产4M DRAM，1992年开发64M DRAM和第2代16M DRAM。

SK海力士于2002年开发1Gb DDR DRAM，2006年获得业内首个Intel 80nm 512Mb DDR2 DRAM认证，2007年开发出业内首款1Gb GDDR5 DRAM，2009年开发出业内首款44nm DDR3 DRAM、推出第2代1Gb DDR3以及全球首款40nm级2Gb GDDR5 DRAM。

海力士于2011年使用T SV技术开发40nm级16Gb DDR3 DRAM；2018年开发1Ynm 8Gb DDR4 DRAM以及1Ynm 16Gb DDR5 DRAM；2019年开发1Znm 16Gb DDR4 DRAM。 2020年， SK海力士 推出全球首款可以量产的DDR5 DRAM。

2023年1月，海力士推出当前速度最快的DRAM：LPDDR5T(Low Power Double Data Rate 5 Turbo)，向客户提供了样品。

4.3 美光

美光于1979年完成64K DRAM设计，并于1981年推出首款64K DRAM产品。1984年，美光推出世界上最小的256K DRAM；1987年推出1Mb DRAM。 美光于 1992年 推出 16Mb DRAM； 1999年 生产 业界首款DDR DRAM，并于2002年推出 业界首款10nm级1Gb DDR。 2014年 推出 首款单片8Gb DDR3 SDRAM。

2021年，美光推出业界首个1α节点DRAM，该DRAM可以提高从移动设备到智能汽车等一切事物的性能。■

本文作者系盘古智库助理研究员宗璐瑀、研究员王毅博