巨頭們低調發力，3D DRAM或在未來3年成為主要方向
據Business Korea報道，有行業人士透露，三星和SK海力士的高管在最近的一些官方活動上，都將3D DRAM作為克服DRAM物理極限的一種方式。三星表示，3D DRAM是半導體行業未來的增長動力。SK海力士則認為，大概在明年，關于3D DRAM的電氣特性細節將被公開，從而決定其發展方向。
3D 堆疊開啟DRAM新未來
當前，DRAM主要需求來源分別為PC端、移動端、服務器端，其中PC端占比12.6%，移動端占比37.6%，服務器占比 34.9%，三者占總需求近90%。
從目前發展事態來看，PC端已經進入了存量替代市場，出貨穩定，對DRAM的需求也趨于穩定。但隨著5G熱潮的到來，移動DRAM和服務器DRAM需求變得旺盛，DRAM迎來了“芯”拐點，智能手機帶來的出貨增長以及物聯網、云服務、商用服務器、數據中心的強勁增長，成為拉動DRAM需求的主力軍。此外，DRAM作為自動駕駛技術中不可或缺的一部分，車用DRAM也將成為未來的新增量。
然而，龐大的需求端下，是人們不斷增長的對高容量、高性能、小存儲單元尺寸以及低功耗存儲設備需求，這也使得DRAM在帶寬和延遲方面的挑戰更為緊迫，帶寬指的是可以寫入內存或可以從中讀取的數據量，而延遲是對內存的請求與其執行之間的時間間隔。受限于傳統計算機體系的馮-諾依曼架構，存儲器帶寬與計算需求之間的存儲墻問題日益突出，成為當今計算中的最大問題之一。
一般來說，計算機中的 DRAM 存儲單元由單個晶體管和單個電容器制成，即所謂的 1T1C 設計。這種存儲單元在寫入時打開晶體管，電荷被推入電容器 (1) 或從電容器 (0) 去除；讀取時則會提取并度量電荷。該系統速度超級快，價格便宜，并且功耗很小，但它也有一些缺點。
DRAM作為一種易失性的、基于電容的、破壞性讀取形式的存儲器，在讀取的時候會消耗電容器的電量，因此讀取就要將該位寫回到內存中。即使不進行讀取，電荷最終也會通過晶體管從電容器中泄漏出來，從而隨著時間的流逝而失去其明確定義的充電狀態。雖然定期刷新可以保持數據，但這也意味著需要讀取存儲器的內容并將其重新寫回。
為了讓DRAM更好地滿足未來市場需求，業界也在不斷地尋找新技術來突破目前的瓶頸，3D DRAM正是其中一個主流的技術方向。
據了解，3D DRAM是將存儲單元（Cell）堆疊至邏輯單元上方以實現在單位晶圓面積上產出上更多的產量，從這方面來說，3D DRAM 可以有效解決平面DRAM最重要也最艱難的挑戰，那就是儲存電容的高深寬比。儲存電容的深寬比通常會隨著組件工藝微縮而呈倍數增加，也就是說，平面DRAM的工藝微縮會越來越困難。
除了片晶圓的裸晶產出量增加外，使用3D堆棧技術也能因為可重復使用儲存電容而有效降低 DRAM的單位成本。因此，可以認為DRAM從2D架構轉向3D架構是未來的主要趨勢之一。
3D DRAM或在未來3年成為主要方向
自2010年至今，3D DRAM的可能性一直在探索階段，目前已有一些3D DRAM技術出現在市場上或實驗室中，如HBM、HMC、基于IGZO的CAA晶體管3D DRAM等。三星、SK海力士對3D DRAM加速商業化有助于推進該技術的發展。
HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬存儲器）技術可以說是DRAM從傳統2D向立體3D發展的主要代表產品，開啟了DRAM 3D化道路。它主要是通過硅通孔（Through Silicon Via, 簡稱“TSV”）技術進行芯片堆疊，以增加吞吐量并克服單一封裝內帶寬的限制，將數個DRAM裸片垂直堆疊，裸片之間用TVS技術連接。HBM的優點是帶寬高、功耗低、封裝體積小，適合用于高性能計算、圖形處理等領域。HBM的缺點是成本高、制造復雜、熱管理困難等。
HMC（混合存儲立方體）是一種將多層DRAM芯片堆疊在一起，并通過TSV和微銅柱連接到一個邏輯層上的技術。HMC的優點是帶寬高、功耗低、可擴展性強，適合用于服務器、網絡等領域。HMC的缺點是成本高、兼容性差、供應鏈不穩定等。這項技術的發展是以混合內存立方體聯盟(Hybrid Memory Cube Consortium；HMCC)為主導，成員包括主要的內存制造商，如美光(Micron)、海力士(SK Hynix)和三星(Samsung)，以及像是Altera、Arm、IBM、微軟(Microsoft)、Open-Silicon和賽靈思(Xilinx)等開發商。
而讓HMC和HBM高階內存得以實現的關鍵在于采用了TSV，但這一技術也使得制造成本大幅增加。
基于IGZO的CAA晶體管3D DRAM是一種利用IGZO（氧化物半導體）材料制作CAA（電容器輔助接入）晶體管，并將其與DRAM芯片堆疊在一起的技術。基于IGZO的CAA晶體管3D DRAM的優點是可以實現無電容結構，從而提高存儲密度和信噪比，降低漏電和刷新頻率，適合用于移動設備等領域。基于IGZO的CAA晶體管3D DRAM的缺點是目前還處于實驗階段，尚未量產或商用。
根據半導體技術分析公司TechInsights的數據，在內存半導體市場排名第三的美光公司正在積極準備藍海市場，在2022年8月前獲得30多項3D DRAM的專利技術。與三星電子持有的不到15項DRAM專利和SK海力士持有的約10項專利相比，美光獲得的3D DRAM相關專利是這兩家韓國芯片制造商的兩到三倍。
巨頭們低調發力
在2021年接受semiengineering采訪的時候，三大存儲巨頭都沒有回應關于他們3D DRAM方案的事情。但是Yole在2022年年初曾經報道，三星電子準備開發世界上第一個 3D DRAM，并正在加速 3D DRAM 的研發。
按照Yole的介紹，三星電子已經開始開發一種用于堆疊cell的技術，一種與高帶寬存儲器 (HBM) 大不相同的堆疊概念。此外，三星電子也在考慮增加DRAM晶體管的柵極（current gate）和溝道（current path）之間的接觸面。這意味著三側接觸FinFet技術和四側接觸環柵（GAA）技術可以用于DRAM生產。當柵極和溝道之間的接觸面增加時，晶體管可以更精確地控制電流。
在2022年9月接受日本eetimes采訪的時候，美光公司也確認正在探索3D DARM的方案。
美光表示，3D DRAM 正在被討論作為繼續擴展 DRAM 的下一步。為了實現 3D DRAM，整個行業都在積極研究，從制造設備的開發、先進的 ALD（原子層沉積）、選擇性氣相沉積、選擇性蝕刻，再到架構的討論。
美光同時強調，3D DRAM目前碰到的主要問題仍然存在于成本和技術方面。技術挑戰存在于廣泛的領域，包括設備和結構、制造工藝、制造設備、材料和架構。“為了從平面DRAM轉向3D DRAM，需要所有領域的創新。此外，這種轉變需要在成本曲線和性能與 DRAM 縮放路線圖相交的地方實現。”美光方面強調。
為此美光坦言，該行業繼續擴展平面并尋找推進 DRAM 路線圖的方法。此外，新的內存架構的開發也在進行中，因此DRAM在系統中的角色正在發生變化，或許有可能在更長時間內維持平面型。“在這一點上，內存制造商正在投資（平面和 3D）以預期拐點以保持 DRAM 的持續擴展，雖然DRAM的每個節點擴展變得越來越困難，但至少在接下來的幾年里，傳統的擴展將繼續下去。”美光方面接著說。
Yole則表示，美光提交了與三星電子不同的 3D DRAM 專利申請。美光的方法是在不放置cell的情況下改變晶體管和電容器的形狀。
至于SK海力士的3D DRAM方案，網上并沒有看到太多介紹。不過Yole強調，SK海力士正在大力投入其中。除此以外，Applied Materials 和 Lam Research 等全球半導體設備制造商也開始開發與 3D DRAM 相關的解決方案。
具體到三大存儲巨頭在3D DRAM的表示，據businesskorea引述TechInsights 的數據顯示，美光自2019年就已經開始了3D DRAM的研究，獲得的專利數量是這兩家韓國芯片制造商的兩到三倍。
TechInsights進一步指出，在內存半導體市場排名第三的美光正積極準備藍海市場，截止2022 年 8 月將獲得 30 多項 3D DRAM 專利技術。相比之下，三星的3D DRAM專利不到 15 項 ，而SK 海力士持有的大約 10 項專利。
此外，國內多家研究機構甚至企業都在投入到3D DRAM的研發當中。中科院微電子所就曾經撰文表示，針對平面結構IGZO-DRAM的密度問題，微電子所微電子重點實驗室劉明院士團隊在垂直環形溝道結構（Channel-All-Around, CAA）IGZO FET的基礎上，研究了第二層器件堆疊前層間介質層工藝的影響，驗證了CAA IGZO FET在2T0C DARM應用中的可靠性。
