哪种新兴存储会是未来的选择？
2020-01-07
14:00:14
来源: 半导体行业观察
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AI和5G等应用让资料量大增，使储存需求爆发；
半导体产业因而转向发展具高容量、更快速及低功耗等优势的新兴记忆体。
物联网(IoT)、人工智慧(AI)、5G、工业4.0等应用推升资讯量呈现爆炸性的成长，所有资料都必须在边缘搜集，并且从边缘到云端的多个层级进行处理和传输、储存和分析。
因应如此庞大的资料储存、传输需求，在DRAM、SRAM，以及NAND Flash等传统记忆体已逐渐无法负荷，且再加上传统记忆体的制程微缩愈加困难的情况之下，驱使半导体产业转向发展更高储存效能、更低成本同时又可以朝制程微缩迈进的新兴记忆体。
AI、5G、IoT和工业4.0等发展让资讯量呈现爆炸式的成长，而这些资料都必须在边缘收集，接着从边缘到云端进行多个层级的传输、处理、储存和分析，以将大量的资量转变为有价值的资讯。
此一趋势不仅带来全新的运算需求，资料量的猛烈成长，对于高容量、高读写次数及更快读写速度的记忆体需求也明显上升。
因此，新兴记忆体如磁阻式随机存取记忆体(MRAM)、铁电随机存取记忆体(FRAM)、电阻式随机存取记忆体(RRAM)和相变随机存取记忆体(PCRAM)等便相继兴起。
工研院电子与光电系统所所长吴志毅(图1)表示，5G与AI时代来临，且产生的资料量更多、更广，因此会有更大的储存需求；
而要有更快的运算效率，意味着记忆体的读取速度也要再加快。
因此，5G、AI的出现，驱使记忆体朝更大容量、更快读取速度发展，也因此，各大记忆体业者开始加快并投入更多资源开发新兴记忆体，能突破既有运算限制的下世代记忆体将在未来扮演更重要角色，期能在日后取代目前主流的三大记忆体产品(分别为DRAM、Flash和SRAM)。
吴志毅说明，新兴记忆体之所以成为目前半导体产业的重点目标，除了希望研发储存容量更大、读写效率更好的记忆体满足未来5G、AI、IoT等新应用的储存和高速运算需求之外，还有一点是目前传统记忆体在制程微缩上面临困境(例如在1x纳米以下的制程微缩要花费更多时间、成本)。
因此，半导体产业开始加大新兴记忆体的研发和投资力道。
应用材料半导体事业群金属沉积产品处全球产品经理周春明(图2)指出，由人工智慧和大数据所推动的新运算需求，加上摩尔定律扩展的趋缓，造成硬体开发和投资的复兴。
各种规模的企业正竞相开发新的硬体平台、架构与设计，以提升运算效率，例如MRAM、RRAM和PCRAM等新的记忆体技术兴起，便是芯片与系统设计人员都致力研究的关键领域。
这些新型记忆体提供更多工具来增强近记忆体运算(Near Memory Compute)，也是下一阶段记忆体内运算(In-Memory Compute)的建构模组。
全新的记忆体技术预计可为边缘与云端装置提供优于现有记忆体技术的功耗、效能和面积成本效益。
新兴记忆体如雨后春笋般浮现，其中MRAM最受青睐，同时也是各大厂商积极投入的原因，除了其具备更好的储存效能外，更重要的是，现今的处理器(CPU)制程不停朝微缩化迈进，以因应高速运算需求。
然而，这些处理器内嵌的记忆体(如NAND Flash、SRAM)却渐渐无法实现更小的晶粒尺寸，因此，储存效能高，且也能满足制程微缩的MRAM，便被视为极具吸引力的记忆体方案。
格芯(GlobalFoundries)尖端eNVM资深总监Martin Mason表示，嵌入式记忆体产业目前正处在一个过渡点，28nm节点可能是eFlash最后一个具有成本效益的节点，在28nm之后，eFlash要进行制程微缩十分困难，所花费的时间、成本高昂，因此，在28nm之后，记忆体业者开始寻找全新的嵌入式非挥发性记忆体技术，以适用各种创新、快速成长的低功耗应用/设备(例如物联网)
Mason进一步说明，目前有许多新的非挥发性记忆体技术，但仍有许多挑战待克服。
像是透过改变电介质电阻以储存数据的RRAM，是许多研究和开发的主题，不过，同样是在28nm以下的制程遭逢挑战(28nm以下制程尚不成熟)，因而限制其大量生产和采用；
至于PCRAM ，同样是缺乏28nm以下的代工支援，使得其采用也受到限制。
相比之下，MRAM已有许多代工业者、记忆体业者投入发展，使其普及和采用性大增，例如该公司便将FDX与MRAM相结合，以获取更高的功率优势、低功耗和小尺寸。
周春明则指出，电脑产业正在建构物联网，其中将会有数百亿个装置内建感测器、运算与通讯功能，以监控环境、作决策和传送重要资讯到云端资料中心；
而在储存物联网装置的软体与AI演算法方面，MRAM成为储存用记忆体的首选之一。
周春明说明，MRAM采用硬碟机中常见的精致磁性材料，本来就是快速且非挥发性，就算在失去电力的情况下，也能保存软体和资料。
由于速度快与元件容忍度高，MRAM最终可能做为第3级快取记忆体中SRAM的替代产品。
MRAM可以整合于物联网芯片设计的后端互连层，进而实现更小的晶粒尺寸，并降低成本。
根据应用材料提供的资料指出，研究显示，以整合式MRAM解决方案取代微控制器之中的eFlash和SRAM，便可以节省高达90%的功耗；
若是采用单一电晶体MRAM取代六个电晶体SRAM ，便能够实现更高的位元密度和更小的芯片尺寸。
这些功耗与面积成本优势使得MRAM成为边缘装置的理想选择。
吴志毅则表示，5G、AI的崛起，使得记忆体产业对容量更高、速度更快的储存技术更加殷切，在觉得现有的SRAM、DRAM等记忆体不足以满足未来应用需求时，自然会寻求更快、容量更大、更高效的新兴记忆体，这是必然的趋势，基于此，MRAM便受到各大业者关注，期能用于CPU中取代SRAM。
吴志毅指出，和现有的SRAM相比，MRAM除了读写速度快之外，更重要的是读写次数大增(预估可达上兆次)，这也是各大业者希望用MRAM取代SRAM的原因之一。
未来AI、5G的应用，会产生愈来愈大量的资料，处理器读取的资料量会明显增加，一秒钟可能就须读写1,000次、10,000次。
而旧有的记忆体(例如快闪记忆体)最大坏处在于读写次数有限制，假设最高读写次数只能到10,000次，当应用在USB之中，一般的使用者可能会没有什么感觉，因为USB要使用到10,000次以上，会需要很长的时间。
然而，若是用于CPU等处理器中，就明显不足了。
日后各式5G、AI应用兴起，处理器要读写的资料量只会有增无减，1秒钟的资料读取次数可能就高达上千、上万次，这么一来，旧有记忆体的资料读写限制明显无法因应未来应用需求。
也因此，能满足制程微缩、储存容量大，且读写次数又明显增加的MRAM便成新选择。
简而言之，除了上述所提的储存效果更好、读写次数高，可满足未来新兴的AI、5G应用外；
更重要是，如今半导体业界持续朝微缩制程迈进的目标，但现有的记忆体在制程微缩上面临极大挑战，MRAM因而被视为有望取代这些记忆体的元件，因此受到记忆体、晶圆代工等业者关注，并积极投入开发，成为未来大规模发展潜力最佳的新兴记忆体。
除了上述所提的MRAM因能满足制程微缩需求，遂成为半导体产业研发重点的新兴记忆体之外，其余如FRAM、RCRAM、RRAM等新兴记忆体技术也马不停蹄的发展中。
FRAM采用铁电质膜用作电容器来储存资料，具有唯读记忆体(ROM)和随机存取器(RAM)，在高速写入、高耐受力、低功耗和防窜改方面拥有优势。
目前FRAM已经用于小容量和频繁资料写入的应用，包括OA设备，如适用于计数器和列印计录的MFP设备，或适用于储存参数和资料记录的FA设备；
财务终端，又或是适用于交易历史记录的ATM终端，基础设施架构中的计量器、汽车导航系统和音响设备。
目前各大记忆体业者中富士通(Fujitsu)最为积极投入FRAM发展。富士通指出，该公司的FRAM采用PZT晶体结构(图3)，这种结构通常用作典型的铁电质材料。在点阵中具有锆和钛，作为两个稳定点，它们可以根据外部电场在两个点之间移动。一旦位置设定，即使再出现电场，它也将不会再有任何移动。顶部和底部的电极安排了一个电容器。那么，电容器划分了底部电极电压和极化，超越了磁滞回线。资料以「1」或「0」的形式储存。
简而言之，FRAM特点可分为以下三点：
1.当加置磁场时就会产生极化(锆/钛离子在晶体中向上或向下移动)。
与传统记忆体相比，FRAM所具有的优势还包含：
非挥发性、没有上电也可保存所储存的资讯、无需电池(环保产品)、更高速度写入、可覆写、不需要抹除指令、对于抹/写操作无等待时间、写入周期时间等于读取周期时间、具有更高的耐受力、更低的功耗和不需要使用加压电路等。
至于PCRAM和RRAM，周春明表示，随着资料量产生呈现指数性遽增，云端资料中心也需要针对连结伺服器和储存系统的资料路径，达成这些路径在速度与耗电量方面的数量级效能提升。RRAM与PCRAM是快速、非挥发性、低功率的高密度记忆体，可以做为「储存级记忆体」，以填补伺服器DRAM与储存记忆体之间，不断扩大的价格与性能落差。
据悉，RRAM采用新材料制成，材料的作用类似于保险丝，可在数十亿个储存单元内选择性地形成灯丝，以表示资料。
PCRAM则采用DVD光碟片中可找到的相变材料，并藉由将材料的状态从非晶态变成晶态，以进行位元的编程。
换言之，藉由精确控制晶圆上的组成物质，可以显著强化功耗、效能与面积成本(PPAC)。
类似于3D NAND记忆体，RRAM和PCRAM是以3D结构排列，而记忆体制造商可以在每一代的产品中加入更多层，以稳健地降低储存成本：
而RRAM与PCRAM也提供编程与电阻率中间阶段的可能性，让每个储存单元可以储存多个位元的资料。
简而言之，PCRAM和ReRAM两种技术都具有结构堆叠，包含容易受薄膜成分和劣化衰退影响的多重元素材料；
两者都是高密度记忆体应用的候选技术。
相较于DRAM，RRAM与PCRAM皆承诺未来可以大幅降低成本，而且读取效能也比NAND和硬碟机快上许多；
且PCRAM或是RRAM的储存级记忆体更可以提供超过10倍以上的存取速度，使得这些记忆体成为云端资料的首选，以克服AI运算相关的资料移动瓶颈。
因此，不论是PCRAM或RRAM，也有半导体业者积极投入发展，例如英特尔(Intel)致力推动的Optane记忆体，便属于PCRAM的范畴。
总而言之，AI、5G、IoT和工业4.0等发展让资讯量呈现爆炸式的成长，全新的运算需求驱动记忆体朝更高容量、高读写次数、更快读写速度、更低功耗发展；
而新兴记忆体除满足上述需求外，和传统记忆体相比，还可实现制程微缩化，半导体产业遂积极投入新兴记忆体发展，期能在未来取代DRAM、Flash和SRAM三大主流记忆体产品。
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