新型存储器产业化遇瓶颈？「昕原半导体」用代工厂既有材料解难题

2017年“人机围棋大战”，Alpha Go获胜是人们对计算机认知的一次转折点。但大多数人没有看到的是，Alpha Go胜利的背后是20000瓦能耗，而代表人类的柯洁，只用了20瓦的能耗。 

人们搬出了科学界之前的设想，开始思考如果人脑可以只用20瓦就完成从围棋知识的储备到调用处理，那计算机是否也可以做到？ 

要知道，早期计算机都是ASIC化，计算机由各种电路组装的固定电路板构成，如果要改变功能，就需要重新搭建这块固定的电路板，是一件非常麻烦的事。 

这时，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出了“存储程序”的计算机设计理念，让计算机的计算和存储进行分离，把计算机指令和数据放在存储器中，顺序执行代码，从而控制计算机运行。 

这种硬件设计和程序设计分离的计算机架构促进了计算机行业的大发展，也一直延续至今。但在科技迅猛发展的今日，特别是在数据为主的AI计算下，冯·诺依曼架构的弊端开始显现，数据在存储器和运算器之间搬运产生了“功耗墙”和“存储墙”等问题，计算机体系架构问题需要被重新思考。

昕原半导体是一家新型存储技术公司，成立于2019年，公司致力于新型存储技术、高能效智能计算和信息安全。目前，昕原半导体为市场提供新型存储芯片颗粒产品、嵌入式存储技术授权和人工智能存算一体解决方案服务。 

昕原半导体推出的产品涵盖了工控和汽车电子、高性能服务器高速缓存、存内计算、信息安全和存内搜索等多个应用领域，是集器件材料、工艺制程、芯片设计、IP授权和中试量产为一体的新型存储技术公司。 

凭借自身先进的技术优势，截至目前，昕原半导体已完成数亿美元融资，投资方包括上海联和投资、凯鹏华盈（KPCB）、北极光创投、沂景资本、联升创投、昆桥资本等著名投资机构。  

1.走颠覆性的创新路径

半导体存储器是半导体产业中最大的细分市场，主要包括DRAM和Flash，体量约占整个半导体产业的三分之一。当传统路径中延续性技术创新的弊端已经暴露出来，走颠覆性的新型路径技术创新，成了赶超传统路径技术寡头的一次机会。 

目前新型存储器技术路线主要有MRAM（磁性存储器）、PCRAM（相变存储器）、FRAM（铁电存储器）和ReRAM（阻变存储器）四类。 

其中的ReRAM技术，其计算单元可以利用阻变器件的存储记忆特性，基于基础物理定律和原理完成海量的AI计算。ReRAM技术通过存算一体的架构，省去了传统的将数据从存储单元搬运到计算单元的环节，从而得以节省因数据搬运产生的大量衍生成本，这种方式也适用于国家碳中和、碳达峰的技术发展路线，改变传统AI运算需要巨大能耗的现状。

昕原半导体中试线

更重要的是，在创新技术最看重的产业化方面，ReRAM最大的吸引力在于，它可以利用代工厂生产线的既有材料制造生产，也更容易产业化。 

今年初，昕原半导体建设的大陆首条28/22nm ReRAM 12寸中试生产线，顺利完成了自主研发所需设备的装机验收工作，实现了中试线工艺流程的通线，具备商业化量产能力。 

该中试线采用了最先进的12英寸28/22nm ReRAM核心设备，包括具有兼容各种ReRAM材料、连续不破真空的材料沉积能力、一流的薄膜厚度控制能力的PVD设备，材料的厚度可以精确控制在1-2A；具备刻蚀多种材料能力和良好的刻蚀一致性能力的刻蚀设备等，能够胜任28/22nm及以下工艺节点的物理结构开发。 

此外，昕原半导体拥有国内一流的存储工艺制程技术开发团队和一流的先进制程半导体fab运营团队，团队成员曾成功研发65nm NOR Flash技术，38nm、24nm NAND Flash技术，并实现量产。凭借这一优势，昕原半导体快速建立起了全球领先的28nm ReRAM后端工艺开发能力、小批量生产能力以及CP测试能力。 

面对大规模商用需求，昕原半导体与外部代工厂达成紧密合作，从而复用这些具体的生产参数、设备工艺等条件进行大规模生产，满足客户的需求。

2.实现量产

目前，昕原半导体的产品落地主要聚焦在高性能SoC（工控/汽车）、存算一体、独立存储颗粒这三条产品线上。 

在高性能SoC方向上，昕原半导体提供的是一种嵌入式存储（Embedded ReRAM，简称“eReRAM”）技术，聚焦于工控、汽车领域，主要工作是将ReRAM的存储技术嵌入到主控芯片中。 

相比传统eflash止步40nm工艺，昕原半导体的eReRAM支持28nm及以下工艺节点，制程带来的性能和功耗优势更明显，同时还具备宽温可靠性。 

昕原半导体的高性能SoC产品性能、可靠性高，能帮助下游厂商节省近40%的成本。目前在工控业务领域里，昕原半导体已经获得了部分客户的订单。 

在存算一体方向上，昕原半导体为合作伙伴提供包括存算IP技术授权、存算加速芯片等产品和服务，在能效比上，对比市场现有产品，能够实现数量级的提升。 

关于存算IP的技术授权，昕原半导体将自主研发的存算IP授权给致力于存算一体方向的企业或科研机构等客户，客户基于昕原半导体提供的存算IP实现具备存算加速能力的异构片上系统级芯片（System on Chip），满足目标场景的需求。 

基于昕原半导体提供的存算加速芯片，这些客户可以直接使用解决特定场景的存算加速，也可以通过诸如3D封装等方式与CPU、GPU等其它芯片一起构成异构芯粒（Chiplet）。如此，相当于昕原半导体的存算芯片帮客户处理一部分的计算，客户自己设计的芯片去处理另一部分的计算，大大增强了产品的灵活性与可扩展性。 

在独立存储颗粒领域，昕原半导体将为数据中心提供存储级内存（SCM）以优化存储结构。DRAM有易失性和密度上的瓶颈，SSD有性能上的瓶颈，现在，昕原半导体通过在DRAM和SSD之间增加一级ReRAM，可以缩小传统架构中内存与存储之间的差距，在数据中心场景中，可以实现性能大幅提升的同时降低了能耗。 目前，昕原半导体的工艺打磨已日趋成熟，并逐渐形成独特的ReRAM发展技术路线，以及与技术路线相辅相成、互相促进的产品发展路线。昕原半导体选择了性能和可靠性敏感的场景去实现ReRAM技术的产品落地，今年已开始在更广泛的领域中尝试、验证和开拓。