半导体入门，你需要了解的二三事
开始接触半导体行业时，印象最深的感受是：哪里都有你，但哪里都看不透你，因为半导体在这个智能化的社会已经基本无处不在，虽然基本逻辑一样，但是应用不同又会划分出不同的种类，再加上它的市场规模庞大，导致产业链虽然长，但是每个细分环节的市场规模都不算小。今天尝试把自己学习和研究结果跟大家做个分享，希望对初学者有所启发。
先上两张半导体全面图，第一张主要告诉我们，
一、分立器件和集成电路的关系
半导体直接的解释是指
晶体管出现后才有了集成电路，这里插一个故事来解释这个问题：1942年在美国诞生了世界上第一台电子计算机，它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线，耗电量150千瓦。很显然，占用面积大、无法移动是它最直观和突出的问题，如何能把这些电子元件和连线集成在一小块载体上是当时很多科学家思考的问题。1947年，美国贝尔实验室制造出来了第一个晶体管，在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管，而晶体管不仅具备电子管的主要功能，并且克服了电子管的上述缺点，这样一来，把电子线路中的分立元器件集中制作在一块半导体晶片上，实现一小块晶片就是一个完整电路就成为了可能，这就是初期集成电路的由来。
因此，分立器件和集成电路的关系可以从字面上去理解，即分立和集成、器件和电路的关系。由于它们的基础都是半导体材料，所以为了方便，把它们都归于半导体行业中。
二、细分市场规模
纵向种类划分：根据世界半导体贸易协会（WSTS）统计，2016年全球半导体市场规模是3389亿美元，其中集成电路市场规模为2767亿美元，占比81.6%。进一步细分，逻辑芯片的市场规模最大，达到949亿美元，占比28%，接下来分别是存储器、微处理器和模拟电路，占比是22%、19%和13%。而从最近的数据来看，预计2017年全球半导体市场规模会超过4000亿美元，存储器产值有望超1100亿美元，成为占比最高的集成电路细分品种。
横向产业链划分：按照全球半导体企业的营收来测算，半导体设计市场规模在800-900亿美元，晶圆制造环节的市场规模大约是500亿美元，半导体封测市场规模也在500亿美元左右，这部分的数据大家大概了解一下级别就可以，具体数据不是很准确，因为有些企业设计到多个环节。原材料和半导体设备的市场规模都在400-500亿美元，都包含了制造和封测环节所需的材料和设备。
三、核心能力指标
在IC设计、晶圆制造和封测这几个环节中，晶圆制造是进入壁垒最高的环节 ，就是给你同样的先进设备和材料，没有掌握相关工艺是做不出来先进晶圆的，而这部分工艺的开放度很低，这也是台积电为什么能够占领50%市场份额的主要原因之一。
晶圆制造涉及两个参数，一是上游材料硅片的尺寸，二是代表晶圆工艺的蚀刻尺寸，即晶体管之间的距离。
1）在一定范围内，硅片尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产更多的芯片，比如同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍，出产的处理器个数却是后者的2.385倍，并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆来得高多少，因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。但是硅片具有的一个特性限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸，那就是在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点。 因此从硅片中心向外扩展，坏点数呈上升趋势，这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。半导体硅片是个市场高度集中的行业，日本信越、日本胜高、中国台湾环球晶圆、韩国LG和德国Silitronic这五大厂垄断了全球超过90%的市场份额，原因是半导体硅片对纯度的要求极高（99%的小数点后面要11个9以上），相较于太阳能硅片（小数点后要6个9），半导体硅片整个工艺流程（原料纯度，管道清洗，提纯塔，厂房洁净度等）的要求都高出许多。目前主流的硅片尺寸为300mm（12英寸）、200mm（8英寸）和150mm（6英寸），其中12英寸硅片占比超过60%，主要用在高性能芯片上，由于硅片尺寸越大，工艺难度越高，所以目前我国对300mm（12寸）硅晶圆的需求还基本依靠进口。
2）蚀刻尺寸是在一个硅片上所能蚀刻的一个最小尺寸，更先进的制造工艺，所能蚀刻的尺寸越小，那一块硅片上所能生产的芯片就越多，成本也就随之降低、处理器的运算效率也会增加。此外，体积的减少可以降低耗电量，更容易塞入行动装置中以满足未来轻薄化的需求。目前先进主流的晶圆技术是12英寸硅片加14nm制程，而为了应对更强运算能力和更低功耗的需求，10/7nm甚至5nm工艺已经提上应用议程。虽然半导体工艺从微米级到纳米级，纳米级从90nm到40nm过程中，核心指标“计算能力单位成本”持续下降，也就是工艺提高可以带来明显的收益，但是当工艺进入20nm这个级别之下，上述规律已经不明显，开发成本快速提升导致收益下降，所以目前来看，28nm制程是性价比最高的节点。
四、行业增长驱动力
半导体行业的增长有一定的周期性，它的景气周期主要由新科技带来的终端需求提升， 比如1970-1990年，受到大型机、个人电脑等终端消费推动，全球半导体销售产值从5亿美金增长到1000亿美金；2001-2007年，受到笔记本、无线通讯、家电等消费推动，全球半导体销售产值从1400亿美金增长到2500亿美金；2009－2014年，需求推动的力量是智能手机为代表的移动互联网产品，这一时期全球半导体销售产值从2200亿美金增长至3300亿美金。
预计从2017年开始到2022年，受到AI、物联网、5G、汽车智能化等的推动，全球半导体销售产值将突破5000亿美金。 具体来讲有三方面增长驱动力：1、消费电子创新带动新型IC（AMOLED驱动、无线充电芯片等）高增长；2、汽车电子化率持续提升带来汽车半导体持续增长；3、物联网、AI、AR/VR等新型终端持续放量。
1）消费电子 是目前半导体产值最高的下游， 目前能看到未来2-3年消费电子确定性创新方向主要包括LCD屏幕往OLED屏幕转变、3d摄像头、无线充电、3D背板等，这些创新领域都会带动相关芯片需求增长。
2）汽车电子化的核心驱动力是智能驾驶和新能源汽车， 智能驾驶需要更多传感器和通信网络来制程，因此会新增很多电子需求，主要包括车载摄像头、毫米波雷达、激光雷达、Tbox、汽车通讯系统等；新能源汽车系统中用电动机取代传统的内燃机，新增大量高价值量电子部件，包括锂电池、IGBT等功率器件。据PWC数据，目前全球汽车的电子化率（电子零部件成本/整车成本）不到30%，未来会逐步提升到50%以上，从绝对值看，目前单车半导体价值量接近400美金，未来将以每年5-10%的增速持续提升。
3）物联网主要应用在智能家居，车联网，智能医疗，智能工控等领域， 据ICInsight数据，2015年全球物联网半导体领域市场规模在224亿美元，预计到2020年、2025年市场规模分别为429亿美元、919亿美元，基本实现5年翻一倍的增速，未来10年CAGR约为14%。从芯片种类来看，物联网需要最大的三类芯片分别是传感器芯片、通信芯片和控制芯片。传感器芯片主要包括图像传感器、化学传感器、湿度传感器、电磁传感器等；通信芯片主要包括蓝牙、蜂窝、WiFi、ZigBee等；控制芯片主要包括MCU芯片等。
4）其实消费电子、汽车智能和物联网的颠覆性增长都需要AI芯片的支持，AI芯片是目前引领半导体行业先进技术发展的核心。 AI产业链根据技术层级从上到下分为基础层、技术层和应用层，基础层分为计算能力层与数据层，以GPU、FPGA、ASIC和类脑芯片为代表的计算芯片位于计算能力层。此外，不同环节的不同需求会催生专用计算芯片，比如深度学习主要分为训练和推断两个环节，在数据训练阶段，大量的标记或者未标记的数据被输入深度神经网络中进行训练，随着深度神经网络模型层数的增多，与之相对应的权重参数成倍的增长，从而对硬件的计算能力有着更高需求，此阶段（训练阶段）的设计目标是高并发高吞吐量；推断环节分为两大类——云侧推断与端侧推断，云侧推断不仅要求硬件有着高性能计算，更重要的是对于多指令数据的处理能力，比如Bing搜索引擎同时要对数以万计的图片搜索要求进行识别推断从而给出搜索结果，而端侧推断更强调在高性能计算和低功耗中寻找一个平衡点，设计目标是低延时低功耗。（编辑：张鹏艳）
关于半导体存储的最强入门科普
上周，我给大家仔细介绍了HDD硬盘、软盘和光盘的发展史（链接）。
大家应该都注意到了，在我们的日常生活中，其实远远不止上面三种存储介质。
我们经常使用的U盘、TF卡、SD卡，还有电脑上使用的DDR内存、SSD硬盘，都属于另外一种存储技术。
这种技术，我们称之为“半导体存储” 。
今天，小枣君就重点给大家讲讲这方面的知识。
█ 半导体存储的分类
现代存储技术，概括来看，就分为三大部分，分别是磁性存储、光学存储以及半导体存储。
半导体存储器，简而言之，就是以“半导体集成电路” 作为存储媒介的存储器。
大家如果拆开自己的U盘或SSD硬盘，就会发现里面都是PCB电路板，以及各自各样的芯片及元器件。其中有一类芯片，就是专门存储数据的，有时候也称“存储芯片”。
SSD硬盘的构造
相比传统磁盘（例如HDD硬盘），半导体存储器的重量更轻，体积更小，读写速度更快。当然了，价格也更贵。
这些年，整个社会对芯片半导体行业的关注度很高。但是，大家主要关注的其实是CPU、GPU、手机SoC等计算类芯片。
殊不知，半导体存储器也是整个半导体产业的核心支柱之一。2021年，全球半导体存储器的市场规模为1538亿美元，占整个集成电路市场规模的33%，也就是三分之一。
2022年全球半导体主要品类占比情况 存储器有所下降，但仍有26%
半导体存储器也是一个大类，它还可以进一步划分，主要分为：易失性（VM）存储器 与非易失性（NVM）存储器 。
顾名思义，电路断电后，易失性存储器无法保留数据，非易失性存储器可以保留数据。
这个其实比较好理解。学过计算机基础知识的童鞋应该还记得，存储分为内存 和外存 。
计算机通电后，内存配合CPU等进行工作。断电后，内存数据就没有了，属于易失性（VM）存储器。
而外存呢，也就是硬盘，存放了大量的数据文件。当计算机关机后，只要你执行了保存（写入）操作，数据就会继续存在，属于非易失性（NVM）存储器。
请大家注意：现在很多资料也将半导体存储器分为随机存取存储器（RAM） 和只读存储器（ROM） ，大家应该很耳熟吧？
ROM只读存储器：很好理解，可以读取，不可以写入。
RAM随机存取存储器：指的是它可以“随机地从存储器的任意存储单元读取或写入数据”，这是相对传统磁存储必须“顺序存取（Sequential Access）”而言的。
有些人认为，易失性存储器就是RAM，非易失性存储器就是ROM。其实，这是不严谨的，原因待会会讲。
█ 易失性存储器（VM）
在过去几十年内，易失性存储器没有特别大的变化，主要分为DRAM（动态随机存取存储器，Dynamic RAM）和SRAM（静态随机存取存储器，Static RAM）。
DRAM由许多重复的位元格（Bit Cell）组成，每一个基本单元由一个电容和一个晶体管构成（又称1T1C结构）。电容中存储电荷量的多寡，用于表示“0”和“1”。而晶体管，则用来控制电容的充放电。
图片来源：Lam Research
由于电容会存在漏电现象。所以，必须在数据改变或断电前，进行周期性“动态”充电，保持电势。否则，就会丢失数据。
因此，DRAM才被称为“动态”随机存储器。
DRAM一直是计算机、手机内存的主流方案。计算机的内存条（DDR）、显卡的显存（GDDR）、手机的运行内存（LPDDR），都是DRAM的一种。（DDR基本是指DDR SDRAM，双倍速率同步动态随机存储器。）
值得一提的是，显存这边，除了GDDR之外，还有一种新型显存，叫做HBM （High Bandwidth Memory）。它是将很多DDR芯片堆叠后，与GPU封装在一起构成的（外观上看不到显存颗粒了）。
SRAMSRAM大家可能比较陌生。其实，它就是我们CPU缓存所使用的技术。
SRAM的架构，比DRAM复杂很多。
SRAM的基本单元，则最少由6管晶体管组成：4个场效应管（M1, M2, M3, M4）构成两个交叉耦合的反相器，2个场效应管（M5, M6）用于读写的位线（Bit Line）的控制开关，通过这些场效应管构成一个锁存器（触发器），并在通电时锁住二进制数0和1。
因此，SRAM被称为“静态随机存储器”。
SRAM存储单元
SRAM不需要定期刷新，响应速度快，但功耗大、集成度低、价格昂贵。
所以，它主要用于CPU的主缓存以及辅助缓存。此外，还会用在FPGA内。它的市场占比一直都比较低，存在感比较弱。
█ 非易失性存储器（NVM）
接下来，再看看非易失性存储器产品。
非易失性存储器产品的技术路线，就比较多了。最早期的，就是前面所说的ROM。
最老式的ROM，那是“真正”的ROM ——完全只读，出厂的时候，存储内容就已经写死了，无法做任何修改。
这种ROM，灵活性很差，万一有内容写错了，也没办法纠正，只能废弃。
掩模型只读存储器（MASK ROM），就是上面这种ROM的代表。说白了，就是直接用掩膜工艺，把信息“刻”进存储器里面，让用户无法更改，适合早期的批量生产。
后来，专家们发明了PROM （Programmable ROM，可编程ROM）。这种ROM一般只可以编程一次。出厂时，所有存储单元皆为1。通过专用的设备，以电流或光照（紫外线）的方式，熔断熔丝，可以达到改写数据的效果。
PROM的灵活性，比ROM更高一些，但还是不够。最好是能够对数据进行修改，于是，就有专家发明了EPROM （Erasable Programmable，可擦除可编程ROM）。
擦除的方式，可以是光，也可以是电。电更方便一点，采用电进行擦除的，就叫做EEPROM（电可擦除可编程EEPROM）。
EEPROM可以随机访问和修改任何一个字节，可以往每个bit中写0或者1，就是按“bit”读写，不必将内容全部擦除后再写。它的擦除操作，也是以“bit”为单位，速度还是太慢了。
上世纪80年代，日本东芝的技术专家——舛冈富士雄 ，发明了一种全新的、能够快速进行擦除操作的存储器，也就是——Flash（闪存）。
舛冈富士雄
Flash在英文里，就是“快速地”的意思。
限于篇幅，FLASH的具体原理我们下次再专门介绍。我们只需要知道，Flash存储是以“块”为单位进行擦除的。
常见的块大小为128KB和256KB。1KB是1024个bit，比起EEPROM按bit擦除，快了几个数量级。
目前，FLASH的主流代表产品也只有两个，即：NOR Flash 和NAND Flash 。
NOR Flash属于代码型闪存芯片，其主要特点是芯片内执行（XIP，Execute In Place），即应用程序不必再把代码读到系统RAM中，而是可以直接在Flash闪存内运行。
所以，NOR Flash适合用来存储代码及部分数据，可靠性高、读取速度快，在中低容量应用时具备性能和成本上的优势。
但是，NOR Flash的写入和擦除速度很慢，而且体积是NAND Flash的两倍，所以用途受到了很多限制，市场占比比较低。
早期的时候，NOR Flash还会用在高端手机上，但是后来，智能机开始引入eMMC后，连这块市场也被排挤了。
近年来，NOR Flash的应用有所回升，市场回暖。低功耗蓝牙模块、TWS耳机、手机触控和指纹、可穿戴设备、汽车电子和工业控制等领域，使用NOR Flash比较多。
NAND Flash相比之下，NAND Flash的市场占比就大了很多。
NAND Flash属于数据型闪存芯片，可以实现大容量存储。
它以页为单位读写数据，以块为单位擦除数据，故其写入和擦除速度虽比DRAM大约慢3-4个数量级，却也比传统的机械硬盘快3个数量级，被广泛用于eMMC/EMCP、U盘、SSD等市场。
前面提到了eMMC。前几年，这个词还是挺火的。
eMMC
eMMC即嵌入式多媒体卡（embedded Multi Media Card），它把MMC（多媒体卡）接口、NAND及主控制器都封装在一个小型的BGA芯片中，主要是为了解决NAND品牌差异兼容性等问题，方便厂商快速简化地推出新产品。
而eMCP，是把eMMC与LPDDR封装为一体，进一步减小模块体积，简化电路连接设计。
2011年，UFS（Universal Flash Storage，通用闪存存储）1.0标准诞生。后来，UFS逐渐取代了eMMC，成为智能手机的主流存储方案。当然了，UFS也是基于NAND FLASH的。
这些年主流手机的标配
SSD，大家应该很熟悉了。它基本上都是采用NAND芯片的，目前发展非常迅猛。
SSD内部构造
根据内部电子单元密度的差异，NAND又可以分为SLC（单层存储单元）、MLC（双层存储单元）、TLC(三层存储单元、QLC（四层存储单元），依次代表每个存储单元存储的数据分别为1位、2位、3位、4位。
由SLC到QLC，存储密度逐步提升，单位比特成本也会随之降低。但相对的，性能、功耗、可靠性与P/E循环（擦写循环次数，即寿命）会下降。
这几年，DIY装机圈围绕SLC/MLC/TLC/QLC的争议比较大。一开始，网友们觉得SSD硬盘的寿命会缩水。后来发现，好像缩水也没那么严重，寿命仍然够用。所以，也就慢慢接受了。
早期的NAND，都是2D NAND。工艺制程进入16nm后，2D NAND的成本急剧上升，平面微缩工艺的难度和成本难以承受。于是，3D NAND出现了。
图片来源：electronics-lab
简单来说，就是从平房到楼房，利用立体堆叠，提升存储器容量，减小2D NAND的工艺压力。
2012 年，三星推出了第一代3D NAND闪存芯片。后来，3D NAND技术不断发展，堆叠层数不断提升，容量也越来越大。
█ 新型存储器（非易失性）
2021年，美国IBM提出“存储级内存”（SCM, Storage-Class Memory）的概念。IBM认为，SCM能够取代传统硬盘，并对DRAM起到补充作用。
SCM的背后，其实是行业对新型存储器（介质） 的探索。
按行业的共识，新型存储器可以结合了DRAM内存的高速存取，以及NAND闪存在关闭电源之后保留数据的特性，打破内存和闪存的界限，使其合二为一，实现更低的功耗，更长的寿命，更快的速度。
目前，新型存储器主要有这么几种：相变存储器（PCM），阻变存储器（ReRAM/RRAM），铁电存储器（FeRAM/FRAM），磁性存储器（MRAM，第二代为STT-RAM），碳纳米管存储器。
限于篇幅（主要是我也没看懂，太难了），今天就不逐一介绍了。等将来我研究清楚后，再写专题文章。
█ 结语
汇总一下，小枣君画了一个完整的半导体存储分类图：
上面这个图里，存储器类型很多。但我前面也说了，大家重点看DRAM、NAND Flash和NOR Flash就可以了。因为，在现在的市场上，这三种存储器占了96%以上的市场份额。
其实，所有的存储器，都会基于自己的特性，在市场中找到自己的位置，发挥自己的价值。
一般来说，性能越强的存储器，价格就越贵，会越离计算芯片（CPU/GPU等）越近。性能弱的存储器，可以承担一些对存储时延要求低，写入速度不敏感的需求，降低成本。
计算机系统中的典型存储器层次结构 图片来源：果壳硬科技
半导体存储技术演进的过程，其实一直都受益于摩尔定律 ，在不断提升性能的同时，降低成本。今后，随着摩尔定律逐渐失效，半导体存储技术将会走向何方，新型存储介质能够崛起？让我们拭目以待。
下一期文章，小枣君将站在历史的角度，详细介绍一下半导体存储的技术演进历程，以及行业格局的风雨变幻。
欢迎大家继续关注！谢谢！
参考文献：
1、《数据存力白皮书》，华为、罗兰贝格；
2、《中国存力白皮书》，2022算力大会；
3、《计算机存储历史》，中国存储网
4、《硬盘发展简史》，SunnyZhang的I世界；
5、《存储技术发展历程》，谢长生；
6、《存储介质发展史》，B站，阴冷未遂；
7、《下一代数据存储技术研究报告》，信通院；
8、《存储芯片行业研究报告》，国信证券；
9、《国产存储等待一场革命》，付斌，果壳；
10、《关于半导体存储，没有比这篇更全的了》，芯师爷
11、《科技简章035-半导体存储之闪存》，悟弥津，知乎
12、维基百科相关词条。
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