新型存储器产业专利竞争格局

随着大数据、云计算和人工智能的出现，要求容量大、速度快的非易失存储器。然而在现有的存储体系中，DRAM和NAND都无法适应新兴产业的需求。在此情况下，基于新的存储机理的新型存储器不断涌现，目前业界主流新型存储器包括相变存储器、阻变存储器及磁阻存储器，有望在未来成为存储产业新的主导。

目前的情况是，技术和产业都是特点鲜明

先说技术——

（1）国际存储器巨头对新型存储器体现出了巨大的热情，纷纷加大研发投入

从专利申请数量上来看，国际存储器巨头，例如三星、美光、海力士等，均在相变、阻变、磁阻存储器上投入了较大的研究力量，布局大量专利。目前相变存储器的申请人主要集中在三大阵营——英特尔、美光联合意法半导体和OVONYX组成的英特尔&美光阵营,三星和相关科研机构组成的三星阵营，以及以IBM、英飞凌、旺宏电子和奇梦达为代表的IBM阵营，当然还存在如海力士、东芝等其他研究力量。

相变存储的三大阵营，了解下  

■英特尔与美光阵营善用全球资源，共享优质人才，把控核心专利，实现产业领先

一方面英特尔与美光密切关注掌握核心技术的小型创新型企业并适时合作或并购，比如1970年英特尔和能源转换装置公司合作研发了世界上第一个256位半导体相变存储器，1999年能量转换装置公司则与美光前副主席建立了新的子公司OVONYX。2000年，英特尔与OVONYX发表了合作与许可协议；2012年美光收购破产的能量转换公司，获得其下OVONYX关于相变存储器的所有知识产权。

此外，英特尔与美光基于收购的原型技术持续改进，抢占专利技术路线中的关键节点。比如英特尔在存储材料中全面进行布局，最终选择性能良好的GST掺N的技术路径。在存储单元结构中，英特尔主要在存储单元结构中的控制单元上进行深入研究，提出了以双向阈值开关（OTS）为基础的存储单元结构。在存储阵列中，英特尔先后在平面堆叠和垂直堆叠上进行专利布局，并基于1D1R结构的三维平面堆叠方式为大容量奠定基础。在存储材料和存储单元结构相继得到突破后，英特尔注重制造工艺以及控制技术的专利布局。

与英特尔的专利布局策略相似，美光在存储材料方面同时在二元合金和三元合金积极进行布局。在存储单元结构上，基于Ovonyx的双向阈值开关技术进行改进，申请双向阈值开关以及1S1R相关专利技术。为了提高相变存储器的存储容量，美光主要专注于垂直堆叠技术。美光还进一步在与英特尔的合作研发过程中对核心专利加以改进，进行继续研发，布局了多篇OTS选通管改进型专利，实现技术突破。基于在多个重要技术节点上取得的突破和技术的全面性，英特尔和美光于2015年率先量产容量为128Gb的相变存储器—3D XPoint，在新型存储领域占得优势。

三星仅实现了较小容量的相变存储器产品，关键技术节点研发受挫，主要跟随英特尔和美光脚步开展专利布局

在相变材料上三星布局较为均匀，在二元合金、三元合金材料中均有布局。在存储单元结构方面，三星的专利技术主要集中在1T1R以及1D1R结构，并在这两种结构上广泛布局，直到2013年开始追随英特尔美光在1S1R结构上有所申请。

三星在2012年以前主要采用了传统的晶体管或二极管作为相变存储器的选择器件，限制了相变存储器容量的提升，在英特尔与美光宣布3D XPoint技术实现了相变存储器的技术突破后，三星在2016年以后分别对3D XPoint的存储单元、热绝缘层、OTS控制管等结构布局了一批3D XPoint的外围技术，明显跟随于英特尔与美光的3D XPoint技术。

IBM阵营通过合作申请专利共享关键技术以加强相变存储器专利布局

IBM、奇梦达和旺宏电子三方于2006年在IBM研究实验室演示了联合研发的3nm×20nm的相变存储器单元的存储性能，并于2009年联合开发出了可实现多值化的相变存储器单元写入技术。2011年，正式发布多值相变存储器的操作算法，即在一个存储单元存储多个值的多值封装技术。

研究IBM的相变存储器技术路线发现，在存储材料上，IBM采用了GS或GST相变存储材料；在单元结构上，采用的是1T1R或1D1R结构；在存储阵列方面，其采用的主要是平面堆叠阵列（2D）结构。但该技术在实现大容量相变存储器产品时，与英特尔、美光采用的1S1R单元结构以及垂直堆叠阵列结构（3D）相比，不具备优势。而IBM的优势在于控制技术，其多值存储技术，可以在一个存储单元中存储多个比特位的数据，从而提高相变存储器的容量。然而多值存储技术所面临的一大问题就是能否长时间保持稳定状态，从而保证数据的读取不发生漂移现象。IBM围绕这一问题申请了大量控制技术专利，主要解决了多值存储的精确感测、抵消阻抗漂移效应、存储单元状态确定等问题。因此，IBM使用多值存储这一优势技术，从另一条技术路线寻求相变存储器容量的提升。

IBM的合作伙伴旺宏电子紧跟IBM的关键控制技术进行专利布局，自2005年旺宏电子宣布与IBM共同研发相变存储器技术后，其专利申请出现了爆发式增长，其在单元结构和制造工艺上进行大量的专利布局，与IBM的专利申请实现了有效地互补。

（2）再来看看我国的

中科院上海微系统所和时代全芯——相变存储器产业两大创新主体

从专利申请量来看，中科院上海微系统所、中芯国际、时代全芯位列国内申请人前三，优势较为明显，其中上海微系统所与中芯国际合作研发生产Kb级打印机用相变存储器芯片，时代全芯合作IBM研发相变存储器，目前正进行设备采购，两大创新主体是目前我国相变存储器发展的主要力量。

研究发现，时代全芯主要采用IBM的技术发展路线，而IBM主要依赖多值存储技术以实现大容量相变存储器，在存储单元结构上采用较为传统的1T1R和1D1R结构。按照目前业内最先进的技术来计算，多值存储技术预计最大可实现的相变存储器容量为32G。在多值存储技术实现重大突破之前，IBM现有可实现容量离真正的大容量需求还相距甚远，相比于英特尔和美光已经推出的256Gb的大容量相变存储器产品也缺乏竞争力。而中科院上海微系统所的技术近似英特尔&美光阵营，该所宋志棠教授团队作为我国相变存储器领域申请量排名首位的创新主体，具有较为深厚的专利技术储备，其专利布局相对较为完备，初步具备专利和技术实力，有助于降低我国相变存储产业发展的知识产权风险。

再说产业——

联合创新是主流，合作研发推动存储器的发展

（1）阻变存储器

研究国外阻变存储器产业现状发现，尽管各大存储器行业巨头已经分别生产出各自的测试芯片，但至今没有一家公司实现量产。为了实现技术的优势互补和强强联合，国外各大存储器厂商采用联合创新的方式进行阻变存储器的研发（见图1-19），惠普的材料技术联合海力士先进的半导体制造工艺，共同实现技术突破；索尼借助美光制造技术，共同研发推出16Gb（2GB）阻变存储器芯片；闪迪和东芝共同进行专利申请，率先推出32GB阻变存储器测试晶片；CROSSBAR利用自主研发结合中芯国际的制造力量，产出1TB存储器。

我国的中芯国际也是采用与美国创新企业CROSSBAR进行合作的方式，通过代工试产阻变存储器，但专利产出相对较少。CROSSBAR公司借助密歇根大学卢伟教授团队的阻变存储器研发力量，实现阻变存储器快速发展的同时，与中芯国际达成合作。中芯国际利用自家低温BEOL制程，帮助CROSSBAR代工试产阻变存储器，将多层阻变存储器单元结构整合至CMOS晶圆之上，正式出样的40nm工艺的阻变存储器芯片实现TB级存储，是目前阻变存储器领域离商业化进程最近的产品。但在与创新企业CROSSBAR合作过程中，中芯国际仅仅担任代工的角色，没有触及核心技术，也没有在相关技术的核心节点上进行专利布局。

（2）磁阻存储器

在磁阻存储器领域，也是通过合作或并购等方式推进专利布局的进程。比如三星在2010年转入磁阻存储器领域，在2018年即将实现磁阻存储器（STT-MRAM类型）的量产，三星短时间内切入磁阻存储器领域并实现量产的原因之一在于其寻找到合适的收购目标GRANDIS。通过收购，三星获得磁阻存储器（STT-MRAM类型）核心专利一百余件。

此外，制造巨头格罗方德合作创新主体EVERSPIN，共享专利技术，加速磁阻存储产业化进程。

Everspin成立于2008年，是一家专业从事磁阻存储器研发的创新型企业，目前市场上有两种类型的磁阻存储器已经量产，均为Everspin公司的产品。Everspin和半导体制造大厂格罗方德从2014年就STT-MRAM类型磁阻存储器技术进行合作推动STT-MRAM商业化进程，Everspin提供芯片技术，格罗方德则提供生产线以及制造工艺，并为Everspin注资2900万美元进行STT-MRAM的研发，二者之间共享所有知识产权。

（3）研发型科技机构+存储器制造厂的产业模式成为主流

英特尔、美光通过合作、并购获取了OVONYX和能源转换公司的核心技术，并在此基础上加以改进实现技术领先，同时进行相应专利布局；旺宏电子通过与IBM进行合作，充分利用两家企业的研发优势，通过联合申请大量布局专利。此外，在磁阻、阻变存储器领域，该模式也被广泛采用。在磁阻领域，三星收购了Grandis，获取其关键技术，格罗方德则与Everspin签署了合作协议。在阻变领域，中芯国际则与Crossbar取得了合作，并推出了样片。

依托这种合作模式，存储器厂通过专利收储、联合申请等方式，获取了研发型科研机构的核心技术，同时也增强了自身的专利布局，提升产业控制力。比如，在三星收购Grandis的同时也收储了其100余件专利；英特尔和美光在收购能源转换公司（ECD）的同时也收储其20余件专利，实现了技术突破，并基于收储专利进行进一步专利布局；旺宏电子和其合作伙伴IBM也进行了100余件专利的联合申请，实现技术的互利共赢。

鉴于DRAM存储器在产业成熟之后发生了大规模专利诉讼的情况，国际存储器制造大厂与研发型科研机构合作的这种方式，迅速抢占专利高地，完善自身布局结构，为今后产业控制力的较量奠定基础。

那么下一步该怎么做呢？

合作研发

在我国，中芯国际已经开始尝试“研发型科研机构+存储器制造厂”的合作模式，并在新型存储器领域均有涉猎，其中在相变、磁阻、阻变等方面分别与中科院微系统所、中科院物理所以及国外企业CROSSBAR进行合作。

我国在新型存储方面的专利储备和布局质量仍相对较低，与英特尔等国外大厂相比存在较多问题，比如中芯国际的申请量仅为英特尔的不足四分之一，独立权利要求特征较多，保护范围较小，同时权利要求数量不多，未形成层次化保护。不仅在专利数量和质量上，在专利布局结构上也有较大的缺失，中芯国际的专利布局主要分布在制造工艺，而在存储阵列和控制技术方面仍需努力。

中芯国际、英特尔专利情况对比

即使是在相变存储器方面有一定专利数量积累的中科院上海微系统所，其专利储备也仅为OVONYX的一半不到，在保护范围和权利要求数量方面也暴露了高校申请专利的短板，保护范围小，权利要求数量少，专利质量整体有待提升。

中科院微系统所、OVONYX专利情况对比

重点培育高价值专利

其中相变存储器重点培育包括GeSbTe材料掺杂技术、OTS控制开关以及1S1R的存储单元结构技术以及围绕提高存储密度的相关技术等。而对于磁阻存储器，重点培育包括自主存储单元结构技术以及与之配套的控制技术。目前磁阻存储器实现低功耗、高速读写及热稳定性效果的写技术为关键技术点，尤其是自旋转移矩写入技术为国际主流技术，因此重点培育对象还应包括新型写技术，以期取得行业话语权。对于阻变存储器来说，可重点关注解决大容量问题的三维堆叠结构、读写容错技术等。

总体说来，对于DRAM、NAND、相变、阻变和磁阻等关键存储器，应在相关领域建立风险预警机制。对于来自海外存储寡头、国外研究机构的疑似核心技术的重点专利，或者预期授权范围可能较大的高风险专利，如果对我国存储产业发展构成重大影响或威胁，应具有高度敏感性和警觉性。同时，可建立数据共享平台，深入研究分析全球专利竞争态势，对重点申请人或发明团队进行跟踪，对重点专利的稳定性、法律状态、运营情况进行跟踪，并及时更新和共享相关信息和情报，供国内相关企业和研究机构参考。