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宁波时代全芯科技有限公司 宁波时代全芯商业计划书 2015/12/31 2 目录目录 目录 . 2 1. 项目简介 . 4 1.1 公司介绍 . 4 1.2 国开基金入股宁波时代全芯科技有限公司 . 5 1.3 公司管理层 . 5 1.4 公司产业布局 . 7 2. 集成电路在全球的发展 . 7 2.1 集成电路是第三次工业革命的核心 . 8 2.2 中国集成电路产业的现状和布局 . 9 2.3 中国集成电路产业与世界的差距 . 10 3. 宁波时代全芯的产品相变存储器 . 13 3.1 存储器的种类和现状 . 13 3.2 相变存储器及其特性 . 15 4. 新一代 pcm 智能存储器的重要战略意义 . 20 4.1 大数据时代 pcm 实现智能存储的优势 . 21 4.2 pcm 存储器自主可控的必要性 . 23 4.3 中国发展自主可控芯片的努力 . 24 4.4 宁波时代全芯对自主可控芯片的贡献 . 24 5. 存储器的市场分析与相变存储器的开发策略 . 25 5.1 存储器的市场分析 . 25 3 5.2 宁波时代全芯产品开发及策略 . 32 6. 财务测算 . 36 6.1 投资人回报率估算 . 38 7. 宁波时代全芯对未来地方及中国半导体行业的影响 . 40 7.1 集成电路的经济效应 . 40 7.2 中国半导体产业链的形成 . 41 7.3 宁波时代全芯对未来中国半导体的影响 . 43 8. 总结 . 43 4 1. 项目项目简介简介 1.1 公司介绍公司介绍 宁波时代全芯科技有限公司（以下简称宁波时代全芯或 amt）是 2013 年 2 月由北京力利记科技集团有限公司（以下简称力利记）与香港世 峰科技有限公司共同成立的一家专门致力于研发和生产新一代存储 器相变存储器(pcm)的高科技公司，注册资金 8.25 亿人民币。 宁波时代全芯是中国最早获得 ibm 核心集成电路技术专利的民营企 业，并在此基础上开发了我们自主的知识产权，也是中国唯一的一家 不仅拥有自主设计知识产权，而且掌握制程工艺的半导体企业，宁波 时代全芯的发展模式将是中国未来集成电路半导体行业发展的方向 。 pcm 作为全球第四代存储芯片，将逐渐成为世界存储市场的主流，宁 波时代全芯的 pcm 技术研发肇始于 2009 年力利记与 ibm 的共同开发, 经过六多年投入，宁波时代全芯已完成 pcm 的研发与量产的准备，现 宁波工厂正在建设中，2016 年三季度将完成厂房和设备的安装，第四 季度将实现产品的下线。 公司目前拥有的专利近 100 项，正在申报 审核的专利约 50 项，公司也拥有公司也拥有 ibmibm 铜制成工艺和铜制成工艺和 9090- -4040 纳米生产纳米生产 工艺工艺的永久的永久授权授权。 目前宁波时代全芯是世界上第三家掌握 pcm 技术的公司， 其余两家为 三星和美光；宁波时代全芯正在宁波建设的是一条 12 吋生产线，建 成后,宁波时代全芯将是全国第六条 12 吋生产线、 中国唯一的 pcm 生 产线、全国唯一一家不仅有生产线并且拥有完全自主 pcm 材料,设计 及工艺知识产权的公司。 宁波时代全芯的研发团队实力雄厚，在美国、台湾和大陆均设有研发 公司，其专业团队由美国、台湾、中国大陆等地的半导体专家及博士 5 50 余人组成，他们分别来自西门子集团、ibm、amd、韩国 hynix、台 湾积体电路(tsmc)、台湾联华电子(umc)等公司的菁英份子，是一个 跨国籍、跨文化的菁英人才组合，集合各地不同的研发功能和优势， 形成了公司特有的知识产权全球开发及保护体系， 使公司的技术始终 处于领先。 基于宁波时代全芯的战略地位,完全符合 ibm 在中国寻找合作伙伴的 战略思想, ibm 和宁波时代全芯的合作也将会是长远持久的。 宁波 时代全芯会不断地在尖端科技及生产工艺上和 ibm 合作并共同开发。 拥有自主设计知识产权，对于半导体产业生态系统有深远的影响。 1.2 国开基金入股国开基金入股宁波宁波时代全芯时代全芯科技有限公司科技有限公司 2015 年 12 月，宁波时代全芯宁波时代全芯 pcm 项目正式通过国家发改委高新技项目正式通过国家发改委高新技 术司认定为国家重点支持的集成电路产业企业， 并由此获得国家开发术司认定为国家重点支持的集成电路产业企业， 并由此获得国家开发 银行银行 1.69 亿元人民币的股权投资亿元人民币的股权投资。 作为国家政策性银行的国开行 资本入股宁波时代全芯，不仅体现了国家对宁波时代全芯的认可，而 且极大地提升了宁波时代全芯的市场地位和融资发展能力， 加速了宁 波时代全芯量产和上市的步伐。 1.3 公司管理层公司管理层 宁波时代全芯公司共有五名董事构成，因其不同的专业背景和经 历，组成了一个高效和谐的经营团队。 张龙：中国法律院校本科毕业，曾从事十年律师，现为力利记 科技集 团董事长，具有丰富公司管理经验，专业的律师背景以及多年与国外 公司合作的经历，使宁波时代全芯始终处于高效的运营状态之中。 6 谢明：美国国家工程院院士，成立 cogent systems 公司，担任董事 长及总经理职务，受邀进入美国南加州大学董事会担任董事，目前主 要负责公司的国际合作与交流， 以及宁波时代全芯在美国的设计研发。 曾邦助：理工博士，台湾业界知名半导体专家，曾任台湾力晶半导体 公司研发副总，台湾东元集团董事会资深顾问，台湾剑度公司董事会 首席顾问，台湾茂德科技公司市场行销总经理兼发言人，现主要负责 公司的研发以及台湾工艺研发团队的管理。 邹晔伯：理工博士，曾在 ibm 工作多年，先后担任佛蒙特伯灵顿的微 电子部门 cmos iv/v 制造厂高级工程师经理，全球工程解决方案、化 学、 石油及通讯市场副总裁， 及大中华区技术联盟和知识产权总经理， 现任力利记科技集团董事、总裁兼首席执行官,主要负责公司市场及 运营。 邢猛：理工学士，曾在德信等上市公司工作多年，具有丰富的工厂管 理和电子产品制造经验，现主要负责公司工厂建设和管理。 7 1.4 公司产业公司产业布局布局 宁波时代全芯科技公司集研发、生产于一体，并在全球集成电路发达 地区设立研发中心，提升公司的研发水平，使公司 pcm 研发领域达到 与世界集成电路巨头同一研发水平，保持世界领先；并在此基础上利 用中国强大的集成电路消费市场，在中国大陆实现产业化，并不断培 养本土的研发人员，提升自主创新的能力,建设全球战略的研发生产 基地。 2. 集成电路集成电路在在全球的发展全球的发展 集成电路是利用最新的光刻技术，将比人头发小 50 倍以上的逻辑和 存储电路刻在半导体矽物质上，成为最先进电子产品的大脑。 其应 用之广泛已经超过了世界上任何一种商品。 存储器作为集成电路的 组成部分，在集成电路应用范畴中占有超过八成的份额，并且因为信 8 息膨胀及大数据的分析需求， 存储器在集成电路的应用上会占越来越 重要的地位(如图 1)。 内外存界限的模糊，新的存储技术对计算机 结构的改变以及智能存储的到来， 使得存储器在战略上和经济上越来 越重要。 图 1：半导体依其基本功能划分的应用范畴和所占比例 2.1 集成电路是第三次工业革命的核心集成电路是第三次工业革命的核心 人类从可以制造第一件先进石器的新石器时代距今是一万年前， 而人 类从能创造一个先进石器到能够造一张写字的纸又用了 8000 年，人 类从制造一张纸到能制造一台蒸汽机用了 1500 年，蒸汽机的出现标 志着人类的第一次工业革命的来临， 而人类只用了 100 年便进入了以 使用电气化为标志的第二次工业革命；上世纪 50 年代开始，以电子 计算机和通讯为代表的第三次工业革命，人类仅用了 50 年。 工业革 命前的近 3000 年时间，中国始终处于科技的领先地位，甚至在明朝 末年的 17 世纪初，中国的科技水平依然领先，科技总量仍占全球一 半以上； 但英国人通过工业革命仅用了 100 年就将中国远远抛在了身 9 后，这就是科技的力量，科技是第一生产力，实现中国梦，必先实现 科技梦。 当今电子化时代的第三次工业革命，中国仍然落后于西方；集成电路 的发展是第三次工业革命的核心，而集成电路约 80%的使用数量为存 储器，我们生活中的电子产品，小到遥控器、电视、电话，大到火车、 汽车、飞机，无处不有集成电路存储器；但是如此普遍使用的产品， 中国并不掌握其核心技术，每年依然有 95%集成电路依赖于进口，甚 至国防、航天这样的国家安全等级的芯片也要依赖进口。 当前中国 集成电路的进口已超过石油进口，排在中国所有进口产品的第一位， 中国大国的崛起，国家的安全离不开高端的制造业，更离不开电子产 品的心脏集成电路（芯片）。 2.2 中国集成电路产业的现状中国集成电路产业的现状和布局和布局 在国际经济和科技发展的大背景下，中国政府高瞻远瞩，积极布局 。 李克强总理主持编写的2025 中国制造已于 2015 年 5 月份公布于 众，不仅如此，最近国家也成立了中国制造业领导小组，马凯副总理 为组长， 在规划的制造业中， 居于首要发展的是集成电路半导体产业； 2014 年中国政府设立了 1380 亿集成电路发展专项基金；另外，上海 股票交易所拟在 2016 年推出战略新兴产业板。 国家总理李克强主持 的经济会议上已经明确提出尽快建立战略新兴产业板， 其资本市场地 位将高于创业板。 集成电路是未来该板块的重要发展方向，综合上 述，国家无论是在战略布局、产业政策、资金扶持、领导人参与的程 度上，都史无前例，现在真正是半导体产业的春天。 国家如此重视 半导体产业，是经济发展、国家安全,增强国家长远竞争力的必然要 求。 在国家政策和导引下， 中国内地各省掀起了一场发展集成电路的热潮， 几乎每个省都在制订集成电路发展纲要， 许多省份也都在投巨资发展 10 集成电路， 而国际芯片制造商也看准时机， 伺机在中国大陆抢占市场， 例如西安市政府与三星投资 2000 亿，武汉市政府投资 800 亿建立武 汉新芯，台联电与厦门政府在厦门设工厂，合肥市投资 160 亿与台湾 力晶在合肥设工厂，台积电在南京设工厂等等，都是大投资。 半导体产业在上个世纪四分天下，在美国的带动下，日本、台湾和韩 国迅速崛起。 进入新世纪，日本的半导体产业淡出了市场，形成了 美国、台湾和韩国三足鼎立，而真正强大的仍然是美国；集成电路的 发展有两个重要的环节，一是设计，二是工艺，现在台湾的发展主要 是强在制程工艺上， 台积电、 联电、 丽晶等无不是以工厂生产而著称。 因为信息化时代需要大量信息的读取和存储，并在此基础上运算，所 以在芯片体积不变的情况下，集成程度越高，信息储量就越大。 而 以韩国三星为代表的半导体厂商其强项也是制造， 拥有设计和制造全 能的国家也只有美国，只要我们去美国 ibm 的试验室参观就会发现， 无论是韩国的三星，还是台湾的半导体厂商，都常年会有技术人员在 此培训，使我们不能不感叹美国科技实力的强大。 我们能够看到在中国各省最近发展的半导体产业中， 基本上都是以发 展代工业务的台湾制造为模板， 而中国作为未来在世界上可以与美国 抗衡的大国，必须在半导体产业上学习美国，既要发展制造，也要发 展核心设计，要真正拥有自主创新的能力及自主的知识产权，如同是 拥有我们自己心脏的半导体产业一样， 这也是宁波时代全芯的发展之 路。 2.3 中国集成电路产业与世界的差距中国集成电路产业与世界的差距 集成电路产业是当今促进经济发展的核心产业， 是世界上发展最为迅 速和竞争最为激烈的一个产业。 集成电路产业对国民经济的增长具 有巨大的拉动作用，其增长率远高于其他行业。 可以说，它已成为 国民经济持续发展和促进国民经济信息化的基础和核心产业， 是未来 11 经济发展的基石。 集成电路产业作为一种战略性的高技术核心产业， 不仅成为全球经济竞争的焦点， 也是我国实现经济结构战略性调整的 基础，决定着我国经济的国际竞争力高低和分工地位，而且关系到国 家安全和国防建设的命脉。 中国集成电路产业起步于 1965 年，经过近 50 年的发展，从无到有， 从小到大，不但形成了一定的产业规模，特别是最近几年，国内集成 电路产业得到比以往更为迅速的发展。 根据赛迪报道，2014 年达到 1,0393 亿元的规模，首次突破万亿元大关，在亚太市场占 87%，在全 球超过 50%，全球的份额从 5%提升到 50%，中国中国集成电路消费市场成集成电路消费市场成 为全球最大的市场为全球最大的市场。 根据赛迪统计，全球前 20 家集成电路设计公司大都在美国。 全球排 名前 20 位半导体公司的收入，一大半来自中国，可以说中国市场已 经成为全球半导体厂商最重要的收入来源。 然而在然而在这这样一个巨大的样一个巨大的 中国中国集成电路市场空间， 中国却与当今世界集成电路市场空间， 中国却与当今世界集成电路产业的佼佼者存集成电路产业的佼佼者存 在在非常非常大差距大差距。 美、日、韩和欧洲等国家占据了整个集成电路产业 链的上游，掌握着设计、生产、装备等核心技术。 cpu、存储器等各 个集成电路领域的核心技术都形成了国际企业垄断的局面。 尤其是 美国作为集成电路产品设计和创新的发源地。 12 图 2：2014 年中国集成电路产品结构和国际巨头垄断局面 如图 2 所示的中国 2014 年集成电路的产品结构中，占比最大的四大 类芯片（存储器，assps, cpu 和模拟 ic）占了 75%市场份额，然而这然而这 7575% %市场份额却市场份额却是被是被美、美、韩韩、日日和欧洲等集成和欧洲等集成电路国际巨头所占领，电路国际巨头所占领， 国内的企业提供的产品多是在剩下的国内的企业提供的产品多是在剩下的 25%25%小市小市场中挣扎场中挣扎。 虽然中国 企业在自主 cpu 和模拟电路 ic 特别是在移动手机芯片方面取得很大 突破，但是中国存储芯片产业基本空白，100%依赖进口。 随着大数随着大数 据时代的到来，包括工业据时代的到来，包括工业 4.04.0 的的发展等，大量需要存储器，中国存储发展等，大量需要存储器，中国存储 器产业面临着由器产业面临着由00到到11的突破和挑战的突破和挑战。 13 3. 宁波时代全芯的产品宁波时代全芯的产品相变存储器相变存储器 3.1 存储器的种类和现状存储器的种类和现状 现今的半导体工艺可以使指甲盖大小的设备存储巨大的信息， 并且能 以超快速度去处理非常复杂的逻辑工作， 从而使电子产品功能越来越 强大。 目前数位储存工艺主要分成三种：磁式、光电式与半导体式。 如图 3 所示，半导体储存工艺基本上又分为易失性（volatile）与非易 失性（ non-volatile）两种，易失性存储器工艺包括动态随机存储器 (dram)、静态随机存储器(sram)；而非易失性存储器工艺包括快闪 存储器(flash)、 电子抹除式可复写唯读存储器(eeprom)、 光刻式唯读 存储器(mask rom)、可抹除可程式化唯读存储器(eprom)与新兴的 铁电存储器 feram（feram, fram）、相变存储器(phase change memorypcm, pram)、磁电阻式随机存取存储(mram)、电阻式随 机存取存储器(rram)等。 图 3：存储器的种类 14 基本上静态随机存储器(sram)是一种相对快的存储器，但是由于他 的 存 储 单 元 面 积 很 大 ， 所 以 它 的 造 价 非 常 高 。 而 动 态 随 机 存 储 器 (dram)也很快，但因漏电流的存在使得它并不是很稳定，故需要每 100 分 之 一 秒 更新 一 次 。 而 非 易 失 性 家 族中 的 快 闪 存 储 器 (flash memory)是一种既稳定又便宜的存储器，但是它的读写速度很慢且使 用寿命非常低，只有不到 100 万次，故不适用于高可靠度的存储应用 领域中。 前面所言的 易失 与非易失性存储器的主要差别在于易失性存储器在 电源消失后，所储存的资料便消失不见，但是非易失性存储器在电源 消失后，仍然能够将资料保存下来，由于近年来物联网的发展，数据 的爆炸，可携式电子产品的蓬勃发展，磁式和光电式的储存设备并无 法满足轻、薄、短、小的要求，所以半导体存储工艺尤其是非易失性 存储工艺的成长相当迅速。 然而伴随着半导体存储工艺的发展， 电子产品应用需要越来越少的材 料以及越来越少的成本，但必需带来更好的性能。 也因此随着半导 体产业开拓向前寻找继续摩尔定律路径的时候， 一个更大的基于电荷 存储的问题严正的挑战着存储器领域 。 就像固态随机存储器(ssds) 和快闪存储器(flash)一样，大部分电荷存储变得越来越小，因为半导 体工艺的问题，使得这一些存储器的可靠性降低。 表 1 展示了一些半导体存储器的工艺发展路线。 基本上可以发现当 今的主要半导体存储器， 不论是动态存储器或快闪存储器的微缩工程 在 45nm 之后是越来越困难，也越来越贵。 15 表表 1：半导体存储器工艺的发展路线：半导体存储器工艺的发展路线 2011 2012 2013 2014 2015 2016 dram 30nm 30nm 30nm 30nm 30nm 20nm nor flash 65nm 55nm 45nm 45nm 45nm 45nm samsung nand flash 21nm 21nm 19nm 16nm 16nm 12nm 宁 波 时 代 全 芯 pcm - - 90nm 55nm 55nm 45nm 为了克服缩放比例对存储带来的影响的困难， 一些新的基于持久性能 的存储器工艺已经被广泛的研究。 这这其中就包括相变存储器其中就包括相变存储器(pcm, pram)、 铁 电 存 储 器 （、 铁 电 存 储 器 （ feram, fram） 、） 、 磁 电 阻 式 随 机 存 取 存 储磁 电 阻 式 随 机 存 取 存 储 (mram) 、电阻式随机存取存电阻式随机存取存储器储器(rram)。 在这当中，相变存储在这当中，相变存储 器是下一代存储器器是下一代存储器中中最成熟的产品技术最成熟的产品技术。 intelintel 和和 micmicr ronon（美光）（美光） 在在 20152015 年年 7 7 月月 3131 日就率先宣布了基于日就率先宣布了基于 pcmpcm 的的 3d 3d xpointxpoint 的下一代的下一代 存储器存储器, ,并并宣称这是自宣称这是自 19891989 年以年以来最伟大的技术来最伟大的技术。 3.2 相变存储器及其特性相变存储器及其特性 相变存储器的最重要的基础是电阻器，由硫化玻璃制作的薄膜。 现 在社会中的 dvds 和 cds 就是建立在这样的基础上。 这种类型的存 储 器 当 变 成 晶 体 (crystalline)时 电 阻 系 数 非 常 小 ， 又 当 成 为 非 晶 体 (amorphous)时电阻系数就会变大。 这种能调节电阻系数之特点，构 成了相变存储器的最基本的存储逻辑功能。 当在晶体与非晶体之间 相变时，就可以使得电流适当的改变流过硫化玻璃材料。 电阻 r 是 由相变材料制作的。 电阻 r 的电阻值是可以通过设备的电流来设定 的（如下图 4）。 存储信息的读取是在存储单元中处理的，然后信号 就会在信号线路上被发现从而依附于存储单元上（如图 5）。 16 图 5 中的结构就是建构在逻辑制程的基础上所发展出来的 。 早在 1960 年代就有报告显出采用相变硫系合金薄膜来存储电和光。 事实 上，这种材料早已应用在光学存储器领域中。 而相变材料的研发历 史可追溯到 1950 年代，当时就已经发现该材料能够在两个相位间稳 定转换。 这类材料在有序(多晶)态和无序(非晶)态间发生变化，其电 阻和反射率也随之同时发生可逆变化。 图 4：相变存储器的原理 图 5：相变存储器的截面原理图 相变存储器在装置通过施加适当的电压值和持续时间的能量的脉冲 来完成。 能量的短脉冲用来熔化材料，然后将其快速“冻结”在结 17 构无序状态。 并且在扭转的过程中，以较低的电压持续较长的时间 脉冲来合金先前被玻璃化的区域，我们利用其间的电阻差异（晶体与 非晶体）来存储资料。 相较于现有主流易失性存储器工艺仰赖电荷 的方式储存，只要一没电，内容就会消失。 如上所述，相变存储器 的原理则是将硫族化合物透过施加的电流来作加热与降温的动作， 使 其在晶体与非晶体之间快速转换的方式作为写入， 并透过测量硫族化 合物的电阻来进行读取， 此一物理现象让相变存储器在无电的状态下 依旧可维持资料内容。 虽然相变存储器是新一代的非易失性记体，但早从 1970 年代开始， 许多工业和学术团体就已经在对此材料特性作显着研究工作。 但直 到最近几年， 相变材料结合了电晶体应用上才有了突破性的发展报告。 随着半导体微缩比例的发展进而缩小相变材料的大小， 而且也使得制 程工作耗费更少的能量。 相变存储器作为第四代存储器的代表，将 逐渐替代现有的第三代存储器，具有众多特性如下(图 6)： 图 6：力利记 amt 相变存储器的主要特点 18 （1）造价便宜：相变存储器最重要的特点之一是它本身的相变存储器最重要的特点之一是它本身的制造成本制造成本 比传统存储器比传统存储器便宜便宜近四分之三近四分之三， 因为它的制作过程与一般的逻辑制程 非常相似，而且制造流程非常简单，比动态随机存储器少了一些制造 程序，并且其设计存储单元结构的大小和电晶体一样。 因此相变存 储器能有较 高的存储密度就是因为它的存储单元 是和电晶体一样的 小。 （2）抗辐射性：相变存储器不但是非易失性的且不受到由粒子或 宇宙辐射造成的“软错误”或随机位元读取错误的影响。 因此相变 存储器对辐射免疫，使它在军事、航天与医疗以及其他国家战略的用它在军事、航天与医疗以及其他国家战略的用 途上有极大的价值途上有极大的价值。 （4）稳定度：相变电阻的最基本的特点是即使它小到 7nm，它也能保 持正常状态。 理论上说，1 平方英寸大小的硅原料可以存储 1tb 大 小的信息量。 大体上说，相变存储器还可以保持 50 年的正常工作状 态。 （5）生产工艺成熟：在大规模存储器方面，像 1gb 大小信息存储在 1 个独立的晶片上，这种情况已经被验证可以通过大量生产完成 。 相 比较而言，其他的存储器工艺，例如铁电存储器(feram)，磁性随机 存储器(mram)在发展的几年以后还是处于研发阶段。 （6）可微缩性：现有的主流存储器随着制程尺度的不断微缩，所能 储存的电子数已减少到会影响元件可靠性的临界点， 制程尺度的继续 微缩变得十分困难。 而相变存储器不使用电子方式储存资料，它采 用物理相变作为其储存机制。 在小至 7nm 量级时，相变存储器已证 明其所存储的资料都能保持稳定。 （7）位元可变/擦除/软件：与随机存储器一样，相变存储器也拥有 位元可变性。 而快闪存储器工艺则无，快闪存储器需要一个涉及大 19 量资料块作业的单独擦除步骤。 相变存储器可作为一种直接写入的 存储器。 因而大幅度降低了在控制软件上的复杂性。 （8）写入速度：相变存储器可实现超越 nand 的写入频宽。 表表 2：pcm 及其他存储器的特性及其他存储器的特性 pcm eeprom nor nand dram 非 易 失 性 是 是 是 是 不 是 微 缩 能 力 10nm 40nm 30nm 1xnm 20nm 存 储 单 元 大 小 （ f2 ） 6-20 100(0.13um) 9 6 8 最 高 电 压 (伏 特 ) 3.3 16-20 6-8 16-20 3.3 资 料 保 存 时 间 (年 ) 10+ 10 10 1 n/a 目 前 产 品 容 量 64m-1g* 1m(spi) 512m 128g 8g 耐 久 度 (w/e cycle) 106 106 105 104 n/a 抹 除 要 求 位 元 位 元 区 块 区 块 位 元 读 取 时 间 25ns 100ns 70-100ns 10-50us 10ns 位 元 写 入 时 间 50ns/4us 1ms 7us/10ms 1ms 10ns 软 件 配 合 度 容 易 不 易 不 易 困 难 容 易 写 入 功 耗 低 高 高 高 低 特 性 抗 辐 射 split gate eprom 替 代 价 位 低 随 机 读 取 逻 辑 相 容 性 是 不 是 , 需 高 压 元 件 制 程 不 是 , 需 高 压 元 件 制 程 不 是 , 需 高 压 元 件 制 程 不 是 , 需 要 低 漏 电 制 程 * * intel 和 micron（ 美 光 ） 在 2015 年 7 月 率 先 宣 布 了 基 于 pcm 的 3d xpoint 下 一 代 存 储 器 的 容 量 为 128g。 （9）读取速度：与 ram 和 nor 快闪存储器一样，pcm 工艺也具有快 的随机读取速度这一特性。 这使得可从 pcm 中直接读取程式码执行 程式、而不需先行复制到 ram 中。 相反，nand 快闪存储器的随机读 取时间可长达数十微秒， 因而无法实现直接程式码执行 （请见上表 2） 。 20 由于 pcm 产品诸多的优势，使之成为第四代存储器的领头羊，并将极 大地改变未来电子市场的结构， 我们将在后来章节中论述它在应用上 的巨大市场。 宁波时代全芯建立于非常好的产业制高点,因为它拥有着最核心的设 计、材料和工艺的自主知识产权和实际制程操作的能力。 让宁波时 代全芯能够 成为 领先其他 以代工为主的公司并能率先提供实际产品 生产的唯一平台。 4. 新一代新一代 pcm 智能智能存储器的重要存储器的重要战略意义战略意义 目前我们国家安全方面的考量主要集中在处理器和操作系统上， 但随 着 pcm 智能存储器的出现，将逐渐改变未来计算机系统的结构。cpu 将与存储紧密结合，内存与外存的界限愈加模糊，这种改变将会极大 冲击计算机市场,并且这一趋势不仅在国际集成电路产业界得到共识, 而且中国政府也已经意识到这一点,存储不自主将会造成国家信息安 全和经济安全致命的问题。 在大数据迅猛发展的今天，强大的中国 只有实现智能安全存储，才能真正防范数据安全隐患。 尤其是国家 关键信息的存储，如金融、政府、能源、制造、交通、教育、电信等 各行业对核心业务数据存储和稳定在线更是必需达到集中存储、 备份、 容灾、数据迁移等不同业务应用的需求。 因此，在降低存储网络与 设备复杂性的同时， 智能存储系统必须在传输和存储期间确保数据的智能存储系统必须在传输和存储期间确保数据的 可靠性与安全性可靠性与安全性。 目前主存储器 (main memory)采取 dram 等方案，但是这些解决方案 都存在有成本高、能耗高、易失性、存储系统设计复杂等缺点，而运 用 pcm 可以实现计算机架构的改变 （如图 7 所示） -主存主存储器从储器从 dramdram 变为变为 dram+pcmdram+pcm，从而可以很好地规避上述缺点。 根据云端伺服器的 需求，数据库的存取将从硬盘 (hdd)转到存储器 (dram 或 pcm).这 就是所谓的 “in-memory database, imdb”. 因此，新的 pcm 架构 21 将实现芯片价格较便宜，耗电量低，不需大型的不断电系统 (ups)， 且提供更高的读写性能互动、更高耐久力之优势，从而也满足了智能 存储的可靠性和安全性。 图 7：pcm 可以实现未来计算机架构的改变 4.1 大数据大数据时代时代 pcm 实现智能存储的优势实现智能存储的优势 大数据时代要求存储越来越智能， 以适应未来数据爆炸所带来的应用 。 当前第三代存储已不能够适应智能化的要求， 智能化存储是新一代存 储器的发展方向之一。 大数据时代开辟了智能存储的新纪元，应用 程序和用户透明是智能存储的核心概念。 为了减轻主机处理数据存 储任务的负担，智能存储系统应当具有解决互操作性，扩展，技术升 22 级，组件可用性和数据安全性问题的能力。 智能存储系统由许多不 同的组件组成，包括智能存储设备，智能存储网络技术和智能存储管 理软件。 智能智能存储存储器必须具有和器必须具有和 cpucpu 及及操作系统之间的操作系统之间的迅速迅速实时互实时互 动反馈，可靠性和安全性等动反馈，可靠性和安全性等基本基本特性特性。 表表 3：pcm 与其他存储器相比实现与其他存储器相比实现 智能存储智能存储的的优势优势 pcmpcm nandnand dramdram 易易用性用性（位（位可变性可变性） + - + 读取读取速度速度 + - + 写入写入速度速度 + - + 可靠可靠性性 + - + 密度密度/ /成本成本 + + - 非非易失易失性性 + + - 【注：+代表相比较优势，-代表相比较劣势，+或-的个数代 表优势或劣势程度】 和目前主流存储器相比， 根据表 2 的详细分析，我们可将 pcm 的优 势总结如上面的表 3 所示：1）位可变性；2）高读写速度；3）高可 靠性；4）高密度/低成本；5）非易失性。 这些这些特性使得特性使得 pcmpcm 在在大数大数 据时代海量据时代海量数据数据环境下能够实现环境下能够实现与与 cpucpu 及操作系统之间快速实时互及操作系统之间快速实时互 动动的的智能存储功能智能存储功能。 23 4.2 pcm 存储存储器自主可控的必要性器自主可控的必要性 第三次工业革命的结果使得人类生活在一个电子产品环绕的时代； 一 个国家从小到国民的生活， 大到国家的信息安全完全都是依赖于电子 产品的控制；国家的军事、航天、信息等的控制更是依赖于电子产品 图 8：国家信息安全自主开发现状 的发展；电子产品的控制是由三个部分组成，操作系统构成的软件， 处理器和存储器构成的硬件（如上图 8）；在操作系统和处理器上中 国虽然仍落后于发达国家，但已经有所发展，不是空白，而在存储器 24 上中国依然 100%依赖进口，甚至在国防、核电、航天等这样影响国家 安全的用途依然依赖进口，这对国家的安全构成了极大的威胁。 因 此，除了处理器和操作系统外，存储器的自主可控势在必行。 4.3 中国中国发展发展自主可控芯片自主可控芯片的的努力努力 如图 9 所示,在处理器方面，我国有核高基项目的支持。 目前有中晟 宏芯、龙芯等企业在努力地创造自主知识产权，向前追赶。 在操作 系统上也有麒麟、普华等企业在努力，可是作为占集成电路半壁江山 的存储业，中国目前尚是空白，自主可控势在必行。 国内在存储器 方向做出过努力； 在国家多年的支持下,中国从 2013 年开始研发新一 代的存储技术，尤其是在 pcm 方面，投入了大量的人力和物力，中科 院更是将 pcm 的研发列入了国家的 02 专项，但经过几年的研发，仍 没能出产品，现在国内部分单位转而去研发 mram，都是在新一代的存 储方面做进一步的研究，但世界上已经开始 pcm 批量生产，中国仍还 在遥望于研发哪一类的新一代存储。 因而宁波时代全芯拥有的 pcm 存储器自主知识产权将会对国家信息安全作出前所未有的贡献， 具有 非凡的战略意义。 同时，当前普遍使用的 dram 和 flash 第三代存储器，无论中国如何 大规模投入，都无法赶上欧美发达国家，只有发展技术成熟，并且在 大数据和物联网时代应用前景广阔的新一代 pcm 智能存储器， 中国才 有可能弯道超车赶上欧美发达国家，这是许多专家的共识。 4.4 宁波时代全芯对自主可控芯片的贡献宁波时代全芯对自主可控芯片的贡献 宁波时代全芯拥有的宁波时代全芯拥有的 pcmpcm 自主知识产权自主知识产权， 将可以突破百分之百进口的将可以突破百分之百进口的 关口，更可以达到自主可控的战略目标关口，更可以达到自主可控的战略目标。 宁波时代全芯长期与 ibm 合作，不仅掌握了新一代存储技术的制成，并且拥有 pcm 设计、材料 及工艺的专有技术，成为拥有完全自主知识产权的企业，在技术研发 25 和设计上已占据了制高点。 我们的研发人员来自西门子集团、ibm、 台积电等国际大公司，形成了完整的知识产权研发及保护体系，因此 在技术和人才上具有无可比拟的优势。 相变存储器不但是非易失性 的且不受到由粒子或宇宙辐射造成的“软错误”或随机位元读取错 误。 因此相变存储器对辐射免疫，使它在军事、航天与医疗以及其 他国家战略的用途上有极大的价值。 再加上非易失性存储器在未来 物联网及大数据分析的重要性， 相变智能存储器将会成为市场的主流。 宁波时代全芯产品量产后， 将是中国唯一一家从事存储器生产的企业， 也是唯一一家集新一代存储器研发、生产于一体的公司。 5. 存储器的市场分析与相变存储器的开发策略存储器的市场分析与相变存储器的开发策略 5.1 存储器的市场分析存储器的市场分析 5.1.1 存储器的市场容量 存储芯片（memory）是一种半导体介质的存储器，常用的内存、u 盘、 ssd（固态硬盘）等都属于存储芯片的范畴。 根据 idc 的统计数据， 2013 年存储芯片市场规模接近 690 亿美元，nvm（非易失存储器）在 2013 年销售额约为 288 亿美金，占全部存储器比重约 42%，2014 年 销售额为 315 亿美金。 在 2014 年，全球的半导体市场收入大约是 3400 亿美金。 预计到 2018 年将有超过 550 亿美金的非易失存储器 的产值。 26 5.1.2 相变存储器对未来计算机系统存储架构的影响 随着数据不断的爆炸， 目前人类在一星期内所产生的数据量会超过人 类在公元 2000 年所产生的所有数据量，再加上处理器和存储器之间 性能差距的不断增大，传统 dram 器件的集成度已接近极限，能耗问 题也已成为瓶颈。 近年来，以相变存储器为代表的新型存储器件因 其高集成度、低功耗的特点而受到了国内外研究者的广泛关注。 特 别地， 相变存储器因其非易失性及字节寻址的特性再加上同时具备主 存和外存的特点， 在其影响下， 主存和外存之间的界限正在变得模糊，在其影响下， 主存和外存之间的界限正在变得模糊， 将对未来的存储体系结构带来重大变化将对未来的存储体系结构带来重大变化。 以 pcm 为代表的非易失性 存储器件具备外存的特点，吸引了众多将其应用到外存的研究，随着 pcm 制造工艺的成熟和成本的下降，基于 pcm 的 scm (storage class memory)外存设备将逐步走向成熟(如图 9)。 图 9：pcm 对未来计算机存储结构的影响 5.1.3 相变存储器市场的应用 相变存储器乃兼具 nor、nand 快闪存储器、eeprom 存储器和 dram 的通常属性。 在下一代非易失性存储器中，相变存储器也领 先其它工艺， 并将拓展非易失性存储器在运算和储存系统的应用 。 随 着诸如 nor 和 nand 快闪存储器等传统的基于电子储存的存储器开 27 始面临制造制程微缩困境， 相变存储器被认为是可进一步微缩非易失 性存储器制程的最佳候选工艺。 因为相变存储器的可微缩性特点让 它被誉为 21 世纪的存储器的统一标准。 它不仅有能力取代快闪存储 器(flash)，也是有能力在主要的存储能力上延展出它的稳定性。 正是由于 pcm 的诸多特性使得其在应用上极为广泛， 相变存储器可望 在无线通讯和信息记录发展上带来了崭新的机会， 亦可为可携式系统 和无线通讯系统市场开创新纪元。下图 10 可反映出 pcm 的未来广大 用途，几乎涵盖了当今世界上所有的电子产品领域，替代现有存储 的 所有特性。 而大数据时代开辟了智能存储的新纪元，由于 pcm 能够 位改变等诸多特性（如 3.2 节所述），为其在物联网/可穿戴市场带 来革命性的契机，下面的 5.1.4 节将就 pcm 对物联网/可穿戴这一蓬 勃发展的特定领域中存储架构的影响作具体阐述和市场应用例举。 图 10：pcm 的未来应用领域广泛 28 其未来的应用领域不胜枚举，兹举例如下说明其部分应用： 工业自动化：利用感测器、湿度感测器和温度感测器，可监视工业自 动化系统的运行状态是否良好。 感测器将资料保存在相变存储器， 读写器可透过无线读写器读取资料。 这可让维修人员能掌握机器的 工作环境变化。 另外在食品运输上也可以记录运输过程中的环境温 度变化。 当货物运抵目的地时，收货人员可读取资料记录仪，确保 运输过程中环境温度在规定的温度范围内。 能量收集应用：利用相变存储器从无线读写器汲取电能，部分射频电 能用于读取相变存储器；其余的射频电能被相变存储器收集，提供给 电路板上的元件，该系统只需短时间供电的应用，一般不需太大的耗 电，故无需任何电池电源。 医疗应用：在医疗应用上，可抗辐射的电子产品，是非常重要的。 这 是因为利用电子存储方式的 eeprom 会被放射线清除存储资料，比 如通过海关时的 x 光机等查验设施。 使用相变存储器就可以解决这 个问题。 因此在医疗的应用上，可在病患的身体上安装不同类型的 感测器并将其资料记录在相变存储器。 医生便可由无线读写器读取 资料，对病患进行医疗监测。 航天及军事应用：运用相变存储器抗辐射特性，宁波时代全芯相变存 储器技术不但可用于医疗,军事,及航天科技, 并可运用于军事上的特 殊存储辨识，如指纹辨识存储等，由于军事应用的安全控管需求，例 如于敏感区域（机密档案管理室、枪械管理室）或军方人员的个人资 讯置入人体等，将可协助提升国防安全的资讯控管。 对于 pcm 在消费电子市场上的应用， 尤其是在物联网和可穿戴式设备 上的应用我们将在下一节中专门介绍。 29 5.1.4 pcm 对物联网/可穿戴领域存储架构的影响和应用举例 数据的爆炸性，并随着中国大陆城市智能化的提升，物联网/可穿戴 市场对其智能存储产品的要求日益提高， 除了要求庞大数据的快速输 送、存储及分析，规格不断的变更，还对智能存储系统提出了更高容 量，成本降低和可靠性提高的要求。 基于 pcm 新一代存储器位可变 性（直接写入），高写入次数，工艺和成本的可延续性等优越特性， 尤其可以满足物联网在安全性与可靠度 (存储次数超过一百万次)的 需求。 因此 pcm 在已经到来的大数据时代，对物联网及可穿戴领域 市场带来革命性的契机，如以下两个实例（图 11 和图 12）。 图 11：pcm 可改变未来高端可穿戴/移动平台存储架构 传统的可穿戴装置多是单一功能（如健身检测器和智能手表等），其 存储器主要采用串行 nor/nand 闪存，微控制器嵌入式内存。 如图 11 左半部分所示，传统移动平台系统多芯片架构具备如下特点：1） 30 nand 用于多媒体数据和执行代码存储，但读取速度较慢（微秒级）； 2）应用程序执行时必须把代码读到系统 ram 中；3）nand 的写入/更 新需要擦除(refresh)步骤。 未来可穿戴装置将向多功能高端智能产品发展。 pcm 将改变高端可 穿戴装置/物联网移动平台存储系统架构（如图 11 右半部分所示）： 1）pcm 兼具 nand 和 ram 优点；2）pcm 具有芯片内执行，无需将执行 代码读到系统 ram 中；3）pcm 具有位可变性，无需擦除（refresh)步 骤。 因此 pcm 架构可实现单一芯片方案来降低系统成本