記憶體短空長多 新興應用崛起成未來契機

作者 : 蔡銘仁,EE Times Taiwan

全球半導體產業遭遇逆風,其中記憶體更被點名為「重災區」。不過在一片愁雲慘霧中,「長期看好」幾乎是集體共識,業界並看好AI、5G、車聯網等新興應用的發展,將有望醞釀出記憶體產業的新賽局。

今年受到俄烏戰爭、通膨升溫等因素襲擊,全球消費市場前景烏雲密布,各家業者都不敢大意,美光日前公佈財報,更是透露目前市況挑戰「前所未見」。眼前的烏雲何時能散去,鮮少有業者能精準預測,但人工智慧(AI)、物聯網(IoT)、車聯網等前瞻技術方興未艾,高速的資料運算需求,催動中央處理器(CPU)效能持續提升,越來越龐大的雲端或地端資料量,更讓記憶體廠商看見下一波有望帶動產業成長的新契機。

國外研調《IndustryARC》今年9月發佈的最新報告,預期半導體市場規模2021~2026年維持成長態勢,年複合成長率5.9%,其中記憶體元件受惠虛擬實境(VR)及雲端運算等技術演進,將扮演其中一個成長引擎,又以NAND Flash晶片及DRAM扮演雙箭頭。不少國外研調,也看好AI、車用、IoT及資料中心等應用發展下,有助NAND Flash及DRAM市場規模持續放大。

研調《Mordor Intelligence》預期NAND Flash市場至2027年,規模達942.4億美元 (約新台幣2.9兆元),2021~2027年年複合成長率5.33%。另一間研調《Global Market Insights》也預期DRAM市場規模會繼續成長,至2027年規模可望達1,800億美元(約新台幣5.6兆元),2021~2027年年複合成長率6.5%。

工作負載要求和處理器核心擴增 驅動NAND及DRAM升級

因應不斷成長的工作負載要求和處理器核心擴增,美光客戶工程副總裁Bob France直言,NAND Flash與DRAM技術持續演進是必要的,並點出記憶體和前瞻應用的發展進程,將會同步向前的趨勢,如配合高性能即將推出的次世代伺服器平台,DDR5動態隨機存取記憶體(DRAM)已準備就緒;3D NAND快閃記憶體 (Flash Memory) 的進展,也讓NAND Flash可透過高性能PCIe (PCI Express)介面充分發揮性能。

「若說有甚麼科技滿足了期望,甚至超越它在資料領域扮演的傳統角色,NAND Flash確實是最佳範例,」France這一席話,進一步支持了NAND Flash將在接下來資料領域發展上,繼續維持舉足輕重的地位,這也是美光等技術領袖不斷創新,橫跨數個產品世代,持續在效能、頻寬、可靠性、儲存密度和容量等面向改善NAND Flash產品的原因。

提到NAND Flash的升級,3D NAND Flash是近年討論度最高的技術,更是有可能改變記憶體市場的革新;美光、三星及SK海力士等領導大廠相繼加入競爭行列,過往多聚焦Nor Flash產品研發的台廠旺宏起步相對晚,但也在急起直追。旺宏董事長吳敏求甚至曾表示,目前記憶體市場以DRAM為大宗,而3D NAND Flash的最高儲存密度及最低製造成本的特色,未來有可能成為記憶體市場新主流。

3D NAND Flash突破200層 結構一致成最大挑戰

半導體製程的演進,使記憶體走向3D立體堆疊,突破過往2D結構的限制,而得以在容量跟儲存密度上都獲得提升。當AI、邊緣運算、5G等前瞻應用帶動資料量提升,業界對容量需求將越來越大,這也是為何即便3D產品研發極具挑戰,國內外廠仍紛紛搶進的原因之一。在美光推出全球首款232層3D NAND Flash後,SK海力士也宣布完成238層NAND Flash產品開發,三星今年也可能發表236層NAND Flash產品。

美光232層NAND Flash技術堆疊示意圖。(來源:美光)

NAND Flash 3D堆疊突破200層,在製造跟研發端都需要相當程度的創新。說起最大的挑戰,業者認為在於確保各堆疊層的結構一致,「結構一致對正確對齊及連結所有堆疊層而言至關重要,此外,其他挑戰包括因垂直字元線層間的距離減少,造成單元與單元間電容耦合較高,需要加以克服;層數較多,也使柱狀蝕刻製程備受挑戰。」

面對多層堆疊的挑戰,美光逐一用技術力突破。France指出,他們採高度先進蝕刻及成像技術,創造高深寬比結構,並運用高效替換閘製程提高零組件性能;在232層技術的產品,推出六平面架構的三層單元 (Triple Level Cell, TLC) NAND Flash,實現更高度的平行處理,以此提升個別晶粒的性能;每平面獨立一條獨立字元線,也能減少讀寫命令間的衝突;藉此提高品質,封裝體積也降到最小。

美光最新第六代3D NAND Flash將開始出貨,預計今年開始,將針對用戶端、行動裝置、工業和資料中心等市場,逐步擴大其產品組合,其中包括整合至多晶片封裝和可用於多種介面裝置的版本。France表示,他們的232層NAND Flash已開始應用於消費級固態硬碟 (SSD) 上,隨產能提升會繼續推進到行動裝置、資料中心等市場,可用於全球各種用途。

NAND Flash功能強化,加上平台CPU、記憶體和I/O埠等功能強化,代表邏輯介面技術需要同步提升,才能支援增加的功能、性能與頻寬。以美光的232層3D NAND Flash來說,其同步提升ONFI (Open NAND Flash Interface) 的表現,將ONFI介面的傳輸速度提升至2,400 MT/s;美光也表明傳輸介面的升級,為其產品性能得以全面提升的關鍵因素之一。

TrendForce分析師敖國鋒也認為NAND Flash堆疊層數提升,傳輸介面要跟著SSD的傳輸速度同步升級,才有機會發揮綜效,「未來SSD傳輸速度會同步向上提升至PCIe 5.0甚至PCIe 6.0,NAND本身速度要同步提升才有機會滿足傳輸介面的要求。」

隨3D NAND Flash堆疊層次向200層以上邁進,加上四層單元 (QLC,指每個單元可儲存4個位元) 的產出比率上升,敖國鋒預期,成本不斷優化,將有望刺激終端產品如手機及筆電等應用導入的NAND Flash平均容量提升,隨者消費級SSD售價可望在明年與傳統硬碟(HDD)看齊情況下,預估未來筆電搭載SSD的比率會超過95%;新冠肺炎推升雲端服務需求大增,未來NAND Flash成長最為快速的應用,則是企業級SSD為主,預估在2025年企業級SSD的總需求位元會成為最大的終端應用類別。

3D堆疊儼然成為NAND Flash業界共同的方向,著眼未來3D NAND Flash的發展,「潛力十足且會不斷擴大應用領域」的趨勢,已然是業界普遍的共識。當堆疊的層數越來越多,前述所提如何維持堆疊層垂直對齊等問題,只會越來越不易克服,加上因應越來越高的深寬比,得掌握新的微影和蝕刻等製程技術下苦功,業界人士認為,這或將進一步墊高3D NAND Flash的進入門檻。

NAND Flash難取代DRAM 混用仍是最佳解

業界觀察,NAND Flash和DRAM當前的進展與其他平台的步調近乎一致,記憶體、儲存裝置到CPU的攜手並進,有機會催生新的應用、更大的資料集運用。數年前曾有不同形態記憶體未來是否可能互相取代的討論,業者觀察現行NAND Flash和DRAM的發展,DRAM主攻運算、NAND Flash用於儲存,兩者各司其職,取代的情形是越來越不可能發生,混用則仍會是多數系統應用的最佳選擇。

France也說,在變得更小、速度更快、密度更高的發展上,兩種技術都將持續演進,從裝置端到雲端,絕大多數運算解決方案或多或少仍需仰賴這兩種技術,DRAM和NAND Flash各有所長,可因應不同系統層級解決方案於容量、延遲、持久性、成本、規格尺寸、介面及耐久性等方面的需求,兩技術間的巨大差異,難以徹底取代對方,對系統供應商而言,最大的障礙可能是性能、延遲和容量上的根本差異。

綜觀記憶體技術未來3~5年的重點發展方向,France預期將持續聚焦在提升裝置和系統層級的儲存密度及容量,另外要提升性能和頻寬,並降低延遲,降低解決方案元件的能耗則幾乎是所有市場的共同目標。此外,未來為滿足逐漸分歧或新興的解決方案需求,將需要新的封裝跟規格尺寸選項,隨著裝置逐漸需要記憶體提供智慧功能,對空間、電力、成本及可靠性的新需求亦將應運而生。

業界人士進一步指出,車用市場很可能是驅動記憶體技術持續進步的重點應用,尤其是自動駕駛,比如目前Level 2自動駕駛多配備16G DRAM,到Level 4甚至Level 5就可能需要升級到128G,當自駕技術越來越完善,需要運算的資料量就越龐大,這將有助記憶體技術及潛在市場份額的提升;另外5G市場若未來記憶體空間、頻寬等性能提升到能實現超低延遲,想像空間也很大,並有機會拓展出更多新應用。

在和CPU搭配使用的嵌入式記憶體領域,則有可能出現新的競爭局面。由於eFlash在40nm遇到製程微縮的瓶頸,為因應AI、5G與智慧物聯網(AIoT)等新興應用需求,磁阻式隨機存取記憶體(Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM) 成為外界聚焦的新記憶體技術。MRAM於1990年開始發展,跟Flash一樣屬非揮發性的記憶體,被視為是28nm以下製程的嵌入式非揮發性記憶體的解決方案。

工研院在經濟部技術處的支持下,攜手台積電研發自旋軌道扭矩MRAM (Spin Orbit Torque Magnetoresistive Random Access Memory,SOT-MRAM)陣列晶片,並於今年的SEMICON Taiwan國際半導體展亮相,並宣佈首獲美國國防部出資合作開發下一代磁性記憶體技術。目前在MRAM寫入速度的部分,僅有國際幾個少數機構可達到1奈秒以下,凸顯產品0.4奈秒高速寫入性能的前瞻性。

工研院打造國內唯一磁性記憶體驗證試量產平台與生態系,已開發第三代SOT-MRAM技術,首獲美國國防部出資合作開發下一代磁性記憶體技術,未來可應用於AI人工智慧、車載資通訊等多元領域。(來源:工研院)

Flash的微縮瓶頸,讓MRAM不只熱門,且業界更有非常急迫的需求。工研院電光系統所所長張世杰直言,早期大家晶片裡的記憶體都是Flash,40nm以下甚至到10nm、2nm,就一定得用MRAM,MRAM架構非常難、製造非常複雜,工研院做了15年才做到技術領先,現在量產的STT-MRAM是第二代,第三代的SOT-MRAM量產預估至少還要三、四年。

無獨有偶,聯電也攜手美國專攻MRAM技術的Avalanche Technology,結合Avalanche Technology STT-MRAM技術及聯電22nm製程技術,推出高可靠度持續性靜態隨機存取記憶體(Persistent Static Random Access Memory,P-SRAM)。其第三代P-SRAM具有非同步SRAM兼容讀/寫時序,具備大於100兆次寫入周期耐久性,以及85度環境下1,000年的保存期。

聯電前瞻發展辦公室暨研究發展副總經理洪圭鈞表示,與Avalanche Technology這樣的技術領導廠商合作,將此獨立的記憶體解決方案投入生產,是一個重要的里程碑,有助於將堅實且高度可擴展的MRAM解決方案商業化。聯電憑藉著多元的晶圓專工技術和卓越的製造能力,並透過此次與 Avalanche Technology的合作,將滿足市場對持久性記憶體不斷提升的需求。

記憶體今年受到景氣衝擊的影響相當直接且劇烈,從消費性電子,蔓延到車用、資料中心等市場都顯著看見需求降溫,美光、SK海力士、三星等國際大廠,陸續因景氣波動,透露投資力道將放緩的消息。不過景氣循環在所難免,技術持續向前的方向仍未變,也唯有不斷在產品和技術上推陳出新,創造差異化,方能蓄積足夠能量,在景氣出現向上訊號時,一舉掌握契機彎道超車。

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