中国能否复制3D NAND逆袭之路？

d-Matrix与Alchip联合开发的3D DRAM技术已通过验证，其推理速度较HBM4解决方案提升10倍。这一突破性进展并非偶然。人工智能应用的爆发式增长，正推动算力需求指数级攀升。内存作为数据传输的关键枢纽，其带宽和密度已成为制约AI服务器效率的核心瓶颈。传统平面DRAM逼近物理极限，HBM的发展也逐渐遭遇天花板。

在此背景下，3D DRAM凭借垂直堆叠的创新架构，成为突破存储技术瓶颈的关键方向，开启了内存领域的全新变革。

传统平面DRAM采用水平布局的存储单元，每个单元由晶体管和电容器组成。随着工艺节点缩小至12纳米左右，进一步扩展变得愈发困难。

电容器缩放面临巨大挑战，工艺微缩导致其深宽比显著增加，制造难度陡增。同时，电容到数字线的电荷分配受传输时间和线长影响，性能提升陷入停滞。更小的几何结构还带来了更高的漏电流，使得刷新周期缩短、功耗增加，热管理压力也持续加大。

光刻技术的物理极限同样难以突破。20纳米以下的特征尺寸中，电子隧穿、栅极泄漏等量子效应凸显，进一步微缩的成本急剧上升。这些问题共同导致传统DRAM无法满足AI、高性能计算等场景对高带宽、大容量内存的需求，技术迭代亟需新的方向。

3D DRAM的核心创新在于垂直堆叠的存储架构。它借鉴3D NAND的成功经验，将存储单元分层叠加，而非水平排布，在相同芯片面积内实现数倍容量提升。一款理论上的3D DRAM基本容量可达100GB，远超当前高端DRAM的36GB水平。

单元结构优化是关键突破点。4F²结构作为存储单元垂直化的核心方案，将传统水平分布的源极、栅极与漏极转化为垂直层级，使单个单元面积缩减约三分之一。这一结构接近单个位单元的理论极限，能在不缩小最小特征尺寸的情况下，将存储密度提升30%左右。

材料与互连技术的创新提供了重要支撑。IGZO等新型通道材料凭借低漏电、高可扩展性的优势，被广泛应用于3D DRAM研发，有效提升电荷保留率和刷新特性。TSV（硅片过孔）与混合键合技术实现了垂直层间的高效互联，部分方案可支持32K位数据总线，大幅提升传输带宽。比利时微电子研究中心（IMEC）已成功在120毫米晶圆上生长出300层硅和硅锗交替层，为大规模制造奠定了基础。

3D DRAM还展现出显著的性能优势。垂直堆叠的存储单元让数据访问更直接，读写速度大幅提升。短距离的信号传输路径降低了功耗，部分方案的保留时间可达450秒，刷新能耗显著减少。其异构集成能力还支持DRAM与逻辑芯片、SRAM、闪存的无缝融合，适配多样化的计算场景。

全球主要存储厂商已纷纷加大3D DRAM研发投入，行业竞争日趋激烈。

三星是布局最为积极的厂商之一。自2019年起，三星便开展3D DRAM研究，先后推出12层3D-TSV技术，组建下一代工艺开发团队。公司计划2025年推出基于垂直通道晶体管技术的早期3D DRAM版本，2030年前交付可堆叠所有单元元件的更新版本，并在2027至2028年将工艺节点扩展至8至9纳米。

SK海力士与美光也在稳步推进相关研发。SK海力士计划2024年公布3D DRAM的电气特性，探索IGZO通道材料的应用，并展示了5层堆叠结构的3D DRAM原型产品，良率达到56.1%。美光早在2019年就启动研究，截至2022年8月已持有30多项相关专利，数量是三星和SK海力士的2至3倍，其NVDRAM采用4F²架构，结合铁电技术，展现出独特优势。

初创企业成为技术创新的重要补充。NEO半导体提出3DX-DRAM技术，采用类似3D NAND的单元阵列布局，其1T1C和3T0C两种设计方案，目标实现230层128Gb的存储密度，是当前DRAM的八倍。该公司还研发出X-HBM架构，带宽和存储密度分别达到现有内存的16倍和10倍，计划2026年推出概念验证测试芯片。

国内厂商也在积极切入这一赛道。长江存储基于Xtacking架构申请DRAM专利，采用双晶圆混合键合技术提升密度。长鑫存储突破HBM3与多层堆叠架构，联合兆易创新开发混合键合工艺。另外，兆易创新通过代工合作也切入DRAM赛道。设备端突破显著，中微公司开发出深宽比90:1的刻蚀设备，青禾晶元等厂商突破混合键合、常温键合技术，为3D DRAM产业化提供了设备支撑。

3D DRAM的发展主要分为两条核心路径。一条是保留现有DRAM技术，将多个芯片叠加，类似HBM的高端封装方法，常见4高、8高堆栈，未来可能达到16高。这种方案技术相对成熟，但高级封装需求带来了更高成本，更适用于AI等对带宽要求极高的场景。

另一条路径是单片堆叠，将所有单元元件集成在单一芯片内，无需额外封装步骤，但技术挑战巨大。DRAM单元占地面积小，垂直电容体积大且难以叠加，需要解决层间对齐、均匀沉积等一系列制造难题。无电容DRAM结合三维堆栈技术成为重要探索方向，通过单个晶体管存储信息，依赖多栅器件效应保持电荷，多家研究机构正在推进动态闪存、VLT、Z-RAM等多种方案。

商业化进程仍面临多重阻碍。制造复杂性极高，数百层叠层的均匀沉积、对准和蚀刻，需要先进的工艺控制和三维计量工具。早期晶圆和芯片良率较低，前期工厂投资和工艺开发成本高昂，规模经济效应难以快速显现。

热瓶颈问题不容忽视。堆叠结构导致热量集中，需要专用热通孔、优化层序、相变材料等创新冷却方案。生态系统更新也需要时间，DRAM控制器、内存接口和系统架构需适配新协议，才能充分发挥3D DRAM的性能优势。新材料和新型单元设计的长期可靠性，还需经过持续的应力测试验证，以满足数据中心级的使用寿命要求。

3D DRAM的高性能特性使其在多个领域具有广阔应用前景。数据中心和AI服务器将成为早期核心应用场景，其高带宽和大容量能有效支撑生成式AI、智能体AI等计算密集型推理工作负载，解决当前数据传输效率不足的问题。

汽车行业是重要的潜在市场。电动和自动驾驶车辆需要实时处理大量传感器数据，对内存的密度和带宽要求持续提升。3D DRAM能避免内存成为系统性能瓶颈，为自动驾驶技术的发展提供有力支撑。

消费电子领域的应用将逐步拓展。随着智能手机、嵌入式系统等设备的功能升级，对内存性能的需求不断提高。在成本下降和工艺成熟后，3D DRAM将逐步取代部分传统DRAM，成为消费电子产品的存储核心。

市场规模增长潜力巨大。有预测显示，到2030年全球3D DRAM市场规模可能达到约1000亿美元。行业商业化将经历多年过渡，高性能计算、云数据中心将引领早期采用，消费电子等主流应用预计在4至5年内开始集成。

3D DRAM的崛起正在重塑全球存储行业格局。它改变了存储技术的竞争焦点，产业价值从光刻设备向蚀刻、沉积环节迁移。这一转变降低了对先进光刻设备的依赖，为国内厂商提供了差异化竞争的机会。

混合键合等配套技术的发展将同步推进。该技术被视为未来HBM世代的关键使能技术，预计将随HBM5在2029年左右进入市场，适配高端20Hi堆叠结构。随着3D DRAM的普及，存储与计算的异构集成将更加紧密，推动AI加速器、高性能计算芯片的协同优化。

3D NAND的发展历程为3D DRAM提供了参考。从试点生产到广泛市场接受，3D NAND仅用了不到十年时间。随着制造工艺的成熟、良率的提升和生态系统的完善，3D DRAM有望复制这一快速普及的轨迹。

在AI和高性能计算的持续推动下，3D DRAM正从技术研发走向商业化落地。它不仅解决了传统存储的性能瓶颈，更开启了内存技术的三维创新时代。随着全球厂商的持续投入和技术突破，3D DRAM将成为支撑下一代计算革命的核心基础设施，为各行各业的数字化转型注入新的动力。