随着人工智能、边缘计算等迅速发展，存储器需求迎来爆发式增长。据WSTS数据显示，2024年全球存储器市场规模达1670亿美元，同比增长81%。但由于EUV等关键设备受美出口管制约束，我国DRAM和NAND Flash等主流存储器在先进工艺技术代上的研发面临巨大阻碍。在此背景下，PCM、RRAM、MRAM、FRAM等新兴存储器因具备高速读写、高耐用性、高能效等技术优势引发高度关注，未来有机会应用于更多领域。对此，本文深入分析新兴存储器的发展背景、特征、技术路线以及国内外研发布局情况等，提出北京发展新兴存储器的相关建议。
一、新兴存储器的发展背景
（一）从技术趋势角度来看，主流存储器发展面临瓶颈
目前，全球存储市场以DRAM和NAND Flash为主，据Tech Insights的数据显示，DRAM在整个存储器市场的占比约为56%，NAND Flash占比约为41%。DRAM由于其在成本、单元泄漏、电容、刷新管理等方面面临挑战，自进入10纳米制程后，平面结构存储单元的缩放受限。NAND Flash随着堆叠层数的增加，沉积和刻蚀的均匀性更难保证，且随着三维NAND Flash存储密度的提高，高深宽比刻蚀技术挑战愈加严峻，产品良率的稳定性难以保障。
（二）从市场增速角度来看，存储器依然面临旺盛需求
在数字经济时代，数据成为核心生产要素，而存储器作为数据存储、处理和传输的媒介，其作用至关重要。据Tech Insights预测，得益于人工智能及相关技术的加速采用，2025年存储器市场将持续景气增长，特别是DRAM和NAND两大领域，或将成为半导体增速最高的领域。同时，新兴存储器作为存储新赛道，也将保持增势。据Global Info Research数据显示，2031年全球MRAM市场规模将达到11.8亿美元，预计2025年至2031年的CAGR为23.6%；2030年全球FRAM存储器市场规模将达15.77亿美元，2024—2030年CAGR为7.50%。
（三）从全球竞争角度来看，我国主流存储器发展受限
目前，美国对我国的存储技术限制逐步升级。美国商务部已将长江存储列入“实体清单”，美国国防部也将长鑫存储列入“涉军企业清单”。2024年12月2日，美国商务部工业和安全局对《出口管理条例》进行了修订，不仅强化了对HBM和先进DRAM的出口管制措施，还对制造先进存储器的相关设备进行管制。此次修订新增了对HBM技术参数的限制，还在存储单位面积和存储密度方面对先进DRAM进行重新定义。这一系列制裁导致我国在DRAM等存储器工艺升级上举步维艰，主流技术发展路径面临巨大障碍。
综上，在市场需求牵引下，我国在攻克主流存储器发展瓶颈的同时，亟须发展新兴存储器，探索通过新技术路径弥补我国EUV光刻机等关键装备受限的影响，助力我国存储器产业的自主可控和稳健发展。
二、新兴存储器的基本情况
新兴存储器是指为满足新兴应用场景对数据存储在速度、功耗、容量、可靠性等方面的更高要求而研发的新一代存储技术。目前，主流的研究方向包括相变存储器（Phase-change memory，简称PCM）、阻变存储器（Resistive Random Access Memory，简称RRAM）、磁性存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，简称MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，简称FRAM）。
（一）新兴存储器的特征
目前，PCM、RRAM、MRAM、FRAM等新兴存储技术已从实验室研究阶段逐步迈向实际应用和产业化，取得了一系列技术突破，并实现部分成果的转化落地。各类新兴存储技术在具有低功耗、非易失性、高速读写及兼容CMOS工艺等共有优势下，也因其独特特性，应用于不同领域。其中，PCM因具备有效抗辐照性能，被应用于航空航天和国防等领域，但也因存储密度过低、成本高、良率低，以及无法应用于宽温场景等劣势，尚未大规模产业化。RRAM因耐久性强和具备多位存储能力，适用于智能汽车、边缘计算等对高性能、低功耗、小型化、高密度、可嵌入方面需求较强的终端领域。MRAM因高集成度和抗辐射能力在航空航天、国防等领域应用潜力突出。FRAM在具备高可靠性等技术优势的同时，也面临制造成本较高且成品率低的挑战，因此适用于对读写速度和频率要求高，但容量要求不高、使用寿命要求长的场景。
表1 存储器的特性与应用领域
表格信息来源：北国咨根据公开信息整理
（二）新兴存储器的技术路线
PCM通过改变温度，使硫化物材料在“非结晶态和结晶态”间进行转换，实现数据“1”和“0”存储。英特尔长期致力于PCM研发，联合美光推出的3D XPoint技术已商用。
RRAM通过在电极上施加电压，使阻变材料内部离子发生迁移，改变阻变材料的状态，实现数据存储。美国企业Crossbar在RRAM技术研发上处于领先地位，研发出一个晶体管一个电阻的器件结构以及三维堆叠式架构，并已实现量产。
MRAM基于自旋电子学，利用磁矩方向平行与否实现存储数据，历经多年的技术演进，现已发展到第三代，分别为Toggle-MRAM、STT-MRAM（Spin transfer torque，STT）和SOT-MRAM（Spin orbit torque，SOT）。其中，日本东北大学持续优化SOT-MRAM结构，攻克了“无磁场切换”和“写入功耗”两大瓶颈。Everspin聚焦MRAM技术研发，产品存储容量覆盖1Mb-1Gb。
FRAM以铁电晶体材料为存储介质，在外电场的作用下，因电场方向反转导致极化方向不同，实现数据存储。美国Ramtron公司持续开展FRAM材料、工艺等技术研发并量产，先后被赛普拉斯、英飞凌收购。英飞凌已将FRAM作为其产品线的一部分。
三、国内外企业在新兴存储器领域的布局情况
（一）全球新兴存储器领域百花齐放，各国企业争相布局
美国企业率先抢占技术高地。IBM持续深耕SOT-MRAM技术，同时推进3D PCM研发，已发布28纳米3D PCM测试芯片；美光则在嵌入式RRAM领域取得突破，其22纳米嵌入式RRAM已成功应用于Nordic Semiconductor（无线物联网解决方案企业）的物联网芯片；Avalanche Technology专注MRAM技术研发，不断强化美国在该领域的技术储备。韩国企业侧重产业化落地，三星推出176层3D PCM工程样品，并将28纳米嵌入式MRAM应用于高性能计算芯片；SK海力士则聚焦铁电与相变存储器，其28纳米嵌入式MRAM已进入量产阶段，商业化进程不断加速。欧洲与日本企业选择差异化突围。德国英飞凌携手台积电，计划将RRAM技术引入下一代微控制器，并在台积电28纳米节点流片；荷兰恩智浦联合台积电推出业界首款车规级16纳米嵌入式MRAM，抢占汽车电子市场先机；日本富士通聚焦MRAM与FRAM领域，其FRAM产品覆盖130纳米至55纳米，在特定应用场景形成技术优势。
（二）我国新兴存储器多技术路线并行，部分领域优势明显
北京充分发挥教育科技人才集聚优势，强化新兴存储器前沿技术探索与成果转化。清华大学吴华强教授团队聚焦RRAM及基于RRAM的存算一体架构，首次探究了基于RRAM阵列的存算通一体的可行性等。新忆科技（清华吴华强教授团队孵化的企业）相关独立式RRAM芯片、嵌入式RRAM IP和周边的SOC产品，已实现手机屏幕、摄像头、蓝牙、无线耳机、助听器、激光电视等领域的批量出货。北京大学蔡一茂教授团队专注于RRAM前沿领域研究，提出RRAM高密度单元结构、自限制三维集成等创新技术等。中国科学院微电子研究所刘明院士团队深耕RRAM领域，建立了物理模型，提出并实现RRAM的基础理论和关键技术方法，对提升RRAM在先进工艺节点下的应用具有指导意义。铭芯启睿（中国科学院微电子研究所刘明院士团队孵化的企业）重点布局面向AI大模型场景的混合异构存算系统产品，以及嵌入式IP和独立式存储芯片产品，并在嵌入式IP和独立式RRAM芯片方面实现商业化供应。北京航空航天大学赵巍胜教授团队聚焦于MRAM技术研发，近五年以第一或通讯作者已发表论文300余篇。致真存储（北航赵巍胜教授团队孵化的企业）在北京和青岛分别设立研发中心，并在青岛西海岸新区建设8英寸和12英寸MRAM生产线。
以上海为核心的长三角地区在PCM、RRAM、MRAM领域均具备一定产业化能力。中国科学院上海微系统所在PCM材料环节实现突破，现已推出3D PCM样品。昕原半导体自主建设的12英寸28纳米RRAM生产线已顺利通线。舜铭存储聚焦FRAM领域，联合积塔半导体，已成功推出110纳米FRAM产品。睿科微电子联合昇显、维信诺完成世界首颗嵌入式RRAM存储技术AMOLED显示驱动芯片的开发和认证。驰拓科技已开发独立式MRAM存储芯片和嵌入式MRAM IP等产品。
表2 全球及我国新兴存储器布局现状
表格信息来源：北国咨根据公开信息整理
四、对北京发展新兴存储器的建议
当前，存储技术创新已成为大国博弈竞争的焦点。北京作为我国半导体产业发展核心区域之一，在存储技术新路线方面有基础、有资源、有条件开展原创技术探索及成果转化，需采取积极举措加快将研发优势转化为产业优势。
一是设立新兴存储器专项，给予产业全链条的支持。强化顶层设计，通过政策引导，支持京内重点集成电路制造企业加快嵌入式RRAM、MRAM等关键工艺的开发和产业化。支持高校院所、企业等各类创新主体强化新兴存储器核心技术联合攻关，加速RRAM、MRAM、FRAM等各类新兴存储器在材料、器件、工艺、架构、算法、芯片及系统协同发展。
二是推动新兴存储器前沿材料及器件等技术成果转化。围绕北京在RRAM、MRAM等新兴存储器领域的研发优势，推动铪基铁电等FRAM前沿材料以及RRAM相关器件创新成果在京转化落地。着力推动北京央国企对新兴存储器开放应用场景，通过对新技术新产品的验证应用，加快前沿技术成果落地，促进新兴存储器规模化产业化发展。
三是加强高校新兴存储领域的人才培养，加快新兴存储领域的队伍建设。持续推动高校院所增设新兴存储领域的实验室、选修课程等，扩大新兴存储领域的人才培养规模。通过灵活有效的激励政策、多角度的人才政策，持续吸引国外优秀人才，不断提升企业创新能力和国际竞争力。
作者介绍
陈静文
咨询师
长期关注以集成电路为代表的新一代信息技术领域，参与多项集成电路领域课题研究、项目咨询及评估评审工作。
编辑：张 华
审核：赵佳菲
