下一代存儲技術(shù)都包含什么技術(shù)

也該是時候了，經(jīng)過十多年的沉潛，這些號稱次世代記憶體的產(chǎn)品，總算是找到它們可以立足的市場，包含F(xiàn)RAM(鐵電記憶體)，MRAM(磁阻式隨機存取記憶體)和RRAM(可變電阻式記憶體)，在物聯(lián)網(wǎng)與智能應(yīng)用的推動下，開始找到利基市場。率先引爆話題的，還是臺積電。

2017年5月，臺積電技術(shù)長孫元成首次在其技術(shù)論壇上，發(fā)表了自行研發(fā)多年的eMRAM(嵌入式磁阻式隨機存取記憶體)和eRRAM(嵌入式電阻式記憶體)技術(shù)，分別預(yù)定在2018和2019年進行風險性試產(chǎn)，且將採用先進的22納米制程。

研發(fā)這項技術(shù)的目標很清楚，就是要達成更高的效能、更低的電耗，以及更小的體積，以滿足未來智能化與萬物聯(lián)網(wǎng)的全方面運算需求。目前包含三星與英特爾都在研發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品與制程技術(shù)。

通常，一個一般的嵌入式設(shè)計，其實用不上嵌入式記憶體的技術(shù)，只需要常規(guī)的NOR和NAND Flash記憶體，搭配DRAM即可。若是對于系統(tǒng)的體積與運作效能有更高的需求，例如智能型手機和高階的消費性電子，也能透過使用MCP(Multi Chip Package;多芯片封裝)技術(shù)，將為NOR和DRAM，或者NAND和DRAM封裝在一個芯片中來達成。

若有較高的資料儲存需求，則可使用eMMC(embedded Multi Media Card)嵌入式記憶體規(guī)范技術(shù)，運用MCP制程將NAND Flash與控制芯片整合在一個BGA封裝裡，再搭配DRAM來設(shè)計系統(tǒng)。

更先進的系統(tǒng)，則可使用eMCP(embedded Multi Chip Package)嵌入式多芯片封裝技術(shù)，把NAND Flash與DRAM，以及NAND Flash控制芯片封裝在一個芯片上，不僅進一步簡化電路設(shè)計，降低主系統(tǒng)負擔，同時也保留了高儲存容量的可能性。

圖1 : Crossbar是少數(shù)具有RRAM商業(yè)量產(chǎn)能力的業(yè)者，圖為其COMS整合技術(shù)，能整合邏輯芯片與記憶體。

然而，隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸頻寬越來越大，智能應(yīng)用衍生的資料運算與儲存需求也水漲船高，嵌入式系統(tǒng)對于記憶體封裝技術(shù)的需求也扶搖直上，并尋求效能更好的記憶體解決方桉。此時，新一代的嵌入式記憶體技術(shù)與次世代非揮發(fā)性記憶體的結(jié)合就成了最佳解決方桉。

物聯(lián)網(wǎng)與AI推升次世代記憶體需求

微型化，固然是物聯(lián)網(wǎng)裝置的一個主要設(shè)計需求，但低功耗與高耐用度也是必須考量的兩大關(guān)鍵，尤其是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一旦完成安裝，運行時間可能長達數(shù)年，特別是工業(yè)和公共設(shè)備的領(lǐng)域上。

另一方面，隨著人工智能的發(fā)展，智能化的需求開始涌現(xiàn)在各個產(chǎn)品應(yīng)用上，包含汽車、醫(yī)療與金融業(yè)，對運算效能的需求也倍速增加，因此產(chǎn)業(yè)也開始尋求能夠匹配高速運算，同時滿足低功耗與耐用需求的記憶體解決方桉。此時，人們又把目光移到當年被冷落的次世代非揮發(fā)性記憶體身上。

相對于目前主流的NOR與NAND Flash記憶體，這些號稱次世代記憶體幾乎在所有方面完勝它的競爭者，不僅具備更好的讀寫速度，更低的電耗，同時非常耐用，能夠承受在汽車和工業(yè)的環(huán)境，唯一的缺點，就是成本。

也由于成本的緣故，這些次世代記憶體并沒有大量生產(chǎn)的市場空間，因為如果只從容量價格來看這些次世代記憶體目前仍沒有大量商用的價值，也完全無法跟主流的快閃記憶體競爭。不過如果針對特定應(yīng)用，或者是嵌入式記憶體等級的設(shè)計，那麼這些次世代記憶體可說是明日之星。

目前市場上能夠提供次世代記憶體產(chǎn)品的業(yè)者并不多，主要的有富士通(Fujitsu)和賽普拉斯半導(dǎo)體(Cypress)提供FRAM產(chǎn)品，採用串列(I2C和SPI)和并列介面的解決方桉，已量產(chǎn)的容量從4Kb至4Mb。

在MRAM方面，則有美商Everspin Technologies和Spin Transfer Technologies (STT)，其中Everspin是目前市場上唯一一家提供商用MRAM產(chǎn)品的業(yè)者，提供的芯片容量從128Kb到16Mb，而主要的應(yīng)用領(lǐng)域則集中在工業(yè)、航太、車用、能源與物聯(lián)網(wǎng)。

圖2 : 記憶體比較圖表

至于RRAM，則被業(yè)界認為最有機會成為主流次世代記憶體的技術(shù)，同時也是目前投入研發(fā)廠商最多的技術(shù)。包含Adesto Technologies、Crossbar、三星半導(dǎo)體(Samsung semiconductor)、美光(Micron)、海力士(Hynix)和英特爾都擁有生產(chǎn)RRAM技術(shù)。

但值得注意的是，雖然投入的業(yè)者眾多，但其中僅有Adesto Technologies和Crossbar具有商業(yè)量產(chǎn)的能力，尤其是Crossbar已與中國的中芯國際合作，正積極拓展中國市場，而提供的儲存容量從128Kb到16Mb。

在臺灣，工研院也成功研發(fā)出RRAM的生產(chǎn)技術(shù)，并已在院內(nèi)的8吋晶圓試產(chǎn)，未來將會與臺灣的記憶體業(yè)者合作，導(dǎo)入12吋晶圓的制程尋求量產(chǎn)的機會。

更具殺傷力的嵌入式記憶體技術(shù)

獨立式(standalong)的次世代記憶體已可大幅提升系統(tǒng)的效能，但採用直接在SoC芯片中嵌入的設(shè)計，則可將效能再往上提升一個等級。因此，嵌入式記憶體技術(shù)所帶來最直接的成果，就是效能與體積。

由于嵌入式記憶體制程是在晶圓層級中，由晶圓代工廠把邏輯IC與記憶體芯片整合在同一顆芯片中。這樣的設(shè)計不僅可以達成最佳的傳輸性能，同時也縮小了芯片的體積，透過一個芯片就達成了運算與儲存的功能，而這對于物聯(lián)網(wǎng)裝置經(jīng)常需要數(shù)據(jù)運算與資料儲存來說，非常有吸引力。

以臺積電為例，他們的主要市場便是鎖定物聯(lián)網(wǎng)、高性能運算與汽車電子等。

不過，目前主流的快閃記憶體因為採電荷儲存為其資料寫入的基礎(chǔ)，因此其耐用度與可靠度在20nm以下，就會出現(xiàn)大幅的衰退，因此就不適合用在先進制程的SoC設(shè)計裡。雖然可以透過軟體糾錯和演算法校正，但這些技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)中轉(zhuǎn)換并不容易。所以結(jié)構(gòu)更適合微縮的次世代記憶體就成為先進SoC設(shè)計的主流。

另一方面，次世代記憶體也具有超高耐用度的，所以無論是對環(huán)境溫度的容忍范圍或者存取的次數(shù)，都能遠遠超過目前的解決方桉，因此這些新的嵌入式記憶體技術(shù)就更運用在特定的市場。

以RRAM為例，歐洲研究機構(gòu)愛美科(Imec)幾年前就已經(jīng)發(fā)表了10nm制程的技術(shù)，突破了目前NAND Flash的極限。近期MRAM技術(shù)也宣布其制程可以達到10nm，甚至以下。

不過次世代嵌入式記憶體SoC芯片的制程非常困難，不僅整合難度高，芯片的良率也是一個門檻，目前包含臺積電、聯(lián)電、三星、格羅方德(Globalfoundries)與英特爾等，都投入大量的人力在相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)上。

而以發(fā)展的時程來看，次世代嵌入式記憶體技術(shù)將會先運用在特定用途的SoC和MCU上，而隨著制程成熟與價格下降后，將會有更多的應(yīng)用與市場。