動態隨機存取記憶體(DRAM)價格持續升溫,而要緩解這個價格居高不下的問題並不容易,因為它並非來自供給與需求的失衡,而是源於平面DRAM的「摩爾定律」(Moore’s Law)終結。

2017年是DRAM位元需求強勁成長的一年。如圖1所示,過去三年來,平面DRAM微縮已經大幅減緩了。因此,DRAM正轉變為賣方市場,也為DRAM廠商寫下利潤新高紀錄。就像石油危機一樣,在DRAM危機下,客戶必須為DRAM付出更多代價。因此,本文將討論我們可以找到哪些低成本DRAM解決方案。

20180109_DRAM_NT31P1 圖1:DRAM發展藍圖的計劃與現實 (來源:WSTS、IC Insights、David Manners)

目前,諸如磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)和相變記憶體(PCM)等新興記憶對於平面DRAM帶來了挑戰。然而,MRAM轉向嵌入式應用,而PCM(如3D XPoint)則被用於高階固態硬碟(SSD)應用。實際上,考慮到每位元成本、性能和可靠性,它們也很難直接取代平面DRAM,因此,新興的記憶體目前正在尋找自己的利基市場。

DRAM晶圓廠擴產是提高DRAM供應的一種方法。然而,DRAM廠商可能會猶豫不決,因為新廠的成本大約是升級晶圓廠的六倍。由於DRAM的橫向微縮(lateral scaling),DRAM供應商開始經由升級晶圓廠來提高DRAM產量,從而以2N倍數指數級地提高了DRAM位元輸出。相形之下,新晶圓廠明顯需要更多的投資,也只能線性提高DRAM位元輸出,再加上製造成本較高,將使得DRAM的價格更昂貴。此外,以賣方市場來看,DRAM供應商也沒什麼特別有力的理由需要透過投資新晶圓廠來增加DRAM晶圓廠的產能。

因此,從平面DRAM轉換到3D DRAM是大勢所趨。如圖2所示,採用3D DRAM可以增加每片晶圓的可切割晶片數(dpw)。只要3D DRAM的晶圓製造成本合理,而且易於製造生產,那麼採用3D DRAM技術將有利於降低成本。

當然,3D DRAM對於DRAM微縮的延續至關重要。但遺憾的是,DRAM供應商尚未擁有自己的3D DRAM技術。

20180109_DRAM_NT31P2 圖2:3D DRAM可讓每片晶圓切出更多的晶片與低成本DRAM

另一項建議是採用DDR4 NVDIMM,以取代DRAM作為主記憶體。非揮發性雙列直插式記憶體模組(NVDIMM)有很多種類型;相較於其他以儲存為導向的NVDIMM,DDR4 NVDIMM能夠表現得和DRAM一樣快,而且可以作為主記憶體。幾年前,英特爾(Intel)的3D XPoint看好DDR4 NVDIMM作為切入點,因為3D XPoint擁有NOR型快閃記憶體(flash)讀取延遲低(低於100ns)的優點,因而能像DRAM一樣快速運作。它也不需要預測軟體,因而能夠始終保持高性能。此外,採用單層儲存(SLC)的SLC NOR快閃記憶體具有很高的耐久性。因此,DDR4 NVDIMM的NOR快閃記憶體能夠取代DRAM,並以大量的主記憶體大幅提升系統性能,如圖3所示。

如果能透過3D NOR帶來價格更可負擔的NOR快閃記憶體,DDR4 NVDIMM可能更具吸引力。預計第二代3D Xpoint (即4層堆疊版本)可以實現大約DRAM成本的一半,但可能存在量產問題。

傳統的平面NOR由於單元(cell)尺寸較大(約10F2~12F2)而使得價格不菲。因此,3D NOR對於DDR4 NVDIMM來說必不可少。以3D NOR的情況來看,成本大約會是每GB6美分。

20180109_DRAM_NT31P3 圖3:DDR4 NVDIMM搭配3D DRAM與3D NOR的配置

以10GB 3D DRAM加上1TB 3D NOR來看,DDR NVDIMM的成本大約是10美元+60美元=70美元。目前,業界正因持續高漲的DRAM價格而受衝擊,只能坐待下一次低潮期的出現。許多分析師認為,目前這一波穩步上揚的態勢只能說是DRAM的另一個榮景,預計接下來將隨著市場供需平衡而出現低潮期。

然而,現在要預測未來的DRAM市場應該考慮更多因素。如果我們看看DRAM的歷史就會發現,當DRAM位元需求成長超過45%時,就會開始出現下滑並導致供過於求。如今,摩爾定律已經不再適用於平面DRAM了,而其位元需求的成長也將會是過去23年來的最低點。不過,我們並未看到平面DRAM的位元需求成長率超過45%,預計未來也不至於出現任何低迷市況。

當然,我們現在還無法選擇3D DRAM,因為技術尚未到位。使用3D NOR的NVDIMM能夠大幅降低記憶體子系統的總擁有成本,因為3D NOR每GB約6美分的價格能夠取代DRAM和SSD,同時作為主記憶體和儲存記憶體。眾所週知,過去幾十年來,平面DRAM一直沒什麼進展。現在,我們必須開始創新DRAM了。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Time to Look For Low-Cost DRAM Alternatives,by Sang-Yun Lee, CEO, BeSang Inc.)