下一代存储技术都包含什么技术

2018-01-26 admin_ykcx 210

也该是时候了,经过十多年的沉潜,这些号称次世代记忆体的产品,总算是找到它们可以立足的市场,包含FRAM(铁电记忆体),MRAM(磁阻式随机存取记忆体)和RRAM(可变电阻式记忆体),在物联网与智能应用的推动下,开始找到利基市场。率先引爆话题的,还是台积电。


2017年5月,台积电技术长孙元成首次在其技术论坛上,发表了自行研发多年的eMRAM(嵌入式磁阻式随机存取记忆体)和eRRAM(嵌入式电阻式记忆体)技术,分别预定在2018和2019年进行风险性试产,且将採用先进的22纳米制程。


研发这项技术的目标很清楚,就是要达成更高的效能、更低的电耗,以及更小的体积,以满足未来智能化与万物联网的全方面运算需求。目前包含三星与英特尔都在研发相关的产品与制程技术。


通常,一个一般的嵌入式设计,其实用不上嵌入式记忆体的技术,只需要常规的NOR和NAND Flash记忆体,搭配DRAM即可。若是对于系统的体积与运作效能有更高的需求,例如智能型手机和高阶的消费性电子,也能透过使用MCP(Multi Chip Package;多芯片封装)技术,将为NOR和DRAM,或者NAND和DRAM封装在一个芯片中来达成。


若有较高的资料储存需求,则可使用eMMC(embedded Multi Media Card)嵌入式记忆体规范技术,运用MCP制程将NAND Flash与控制芯片整合在一个BGA封装裡,再搭配DRAM来设计系统。


更先进的系统,则可使用eMCP(embedded Multi Chip Package)嵌入式多芯片封装技术,把NAND Flash与DRAM,以及NAND Flash控制芯片封装在一个芯片上,不仅进一步简化电路设计,降低主系统负担,同时也保留了高储存容量的可能性。


 

图1 : Crossbar是少数具有RRAM商业量产能力的业者,图为其COMS整合技术,能整合逻辑芯片与记忆体。


然而,随着网络传输频宽越来越大,智能应用衍生的资料运算与储存需求也水涨船高,嵌入式系统对于记忆体封装技术的需求也扶摇直上,并寻求效能更好的记忆体解决方桉。此时,新一代的嵌入式记忆体技术与次世代非挥发性记忆体的结合就成了最佳解决方桉。


物联网与AI推升次世代记忆体需求


微型化,固然是物联网装置的一个主要设计需求,但低功耗与高耐用度也是必须考量的两大关键,尤其是物联网设备一旦完成安装,运行时间可能长达数年,特别是工业和公共设备的领域上。


另一方面,随着人工智能的发展,智能化的需求开始涌现在各个产品应用上,包含汽车、医疗与金融业,对运算效能的需求也倍速增加,因此产业也开始寻求能够匹配高速运算,同时满足低功耗与耐用需求的记忆体解决方桉。此时,人们又把目光移到当年被冷落的次世代非挥发性记忆体身上。


相对于目前主流的NOR与NAND Flash记忆体,这些号称次世代记忆体几乎在所有方面完胜它的竞争者,不仅具备更好的读写速度,更低的电耗,同时非常耐用,能够承受在汽车和工业的环境,唯一的缺点,就是成本。


也由于成本的缘故,这些次世代记忆体并没有大量生产的市场空间,因为如果只从容量价格来看这些次世代记忆体目前仍没有大量商用的价值,也完全无法跟主流的快闪记忆体竞争。不过如果针对特定应用,或者是嵌入式记忆体等级的设计,那麽这些次世代记忆体可说是明日之星。


目前市场上能够提供次世代记忆体产品的业者并不多,主要的有富士通(Fujitsu)和赛普拉斯半导体(Cypress)提供FRAM产品,採用串列(I2C和SPI)和并列介面的解决方桉,已量产的容量从4Kb至4Mb。


在MRAM方面,则有美商Everspin Technologies和Spin Transfer Technologies (STT),其中Everspin是目前市场上唯一一家提供商用MRAM产品的业者,提供的芯片容量从128Kb到16Mb,而主要的应用领域则集中在工业、航太、车用、能源与物联网。


 

图2 : 记忆体比较图表


至于RRAM,则被业界认为最有机会成为主流次世代记忆体的技术,同时也是目前投入研发厂商最多的技术。包含Adesto Technologies、Crossbar、三星半导体(Samsung semiconductor)、美光(Micron)、海力士(Hynix)和英特尔都拥有生产RRAM技术。


但值得注意的是,虽然投入的业者众多,但其中仅有Adesto Technologies和Crossbar具有商业量产的能力,尤其是Crossbar已与中国的中芯国际合作,正积极拓展中国市场,而提供的储存容量从128Kb到16Mb。


在台湾,工研院也成功研发出RRAM的生产技术,并已在院内的8吋晶圆试产,未来将会与台湾的记忆体业者合作,导入12吋晶圆的制程寻求量产的机会。


更具杀伤力的嵌入式记忆体技术


独立式(standalong)的次世代记忆体已可大幅提升系统的效能,但採用直接在SoC芯片中嵌入的设计,则可将效能再往上提升一个等级。因此,嵌入式记忆体技术所带来最直接的成果,就是效能与体积。


由于嵌入式记忆体制程是在晶圆层级中,由晶圆代工厂把逻辑IC与记忆体芯片整合在同一颗芯片中。这样的设计不仅可以达成最佳的传输性能,同时也缩小了芯片的体积,透过一个芯片就达成了运算与储存的功能,而这对于物联网装置经常需要数据运算与资料储存来说,非常有吸引力。


以台积电为例,他们的主要市场便是锁定物联网、高性能运算与汽车电子等。


不过,目前主流的快闪记忆体因为採电荷储存为其资料写入的基础,因此其耐用度与可靠度在20nm以下,就会出现大幅的衰退,因此就不适合用在先进制程的SoC设计裡。虽然可以透过软体纠错和演算法校正,但这些技术在嵌入式系统架构中转换并不容易。所以结构更适合微缩的次世代记忆体就成为先进SoC设计的主流。


另一方面,次世代记忆体也具有超高耐用度的,所以无论是对环境温度的容忍范围或者存取的次数,都能远远超过目前的解决方桉,因此这些新的嵌入式记忆体技术就更运用在特定的市场。


以RRAM为例,欧洲研究机构爱美科(Imec)几年前就已经发表了10nm制程的技术,突破了目前NAND Flash的极限。近期MRAM技术也宣布其制程可以达到10nm,甚至以下。


不过次世代嵌入式记忆体SoC芯片的制程非常困难,不仅整合难度高,芯片的良率也是一个门槛,目前包含台积电、联电、三星、格罗方德(Globalfoundries)与英特尔等,都投入大量的人力在相关生产技术研发上。


而以发展的时程来看,次世代嵌入式记忆体技术将会先运用在特定用途的SoC和MCU上,而随着制程成熟与价格下降后,将会有更多的应用与市场。