記憶體產業有著週期性的波動,每當技術處於升級期時,就會出現價格上升;而技術成熟讓儲存密度提升,並且大批量生產後,又會讓整個市場因為供過於求價格下降。

可見,推動產業的是先進技術。但是人都不喜歡「改變」,無論半導體供應商還是OEM,也許都更傾向於接受在既有產線和技術基礎上的升級,而不是全面導入一種新技術。雖然目前傳統記憶體在3D製程加持下尺寸更小、密度更大,性能得到很大提升,但新興記憶體技術無論是作為獨立晶片還是被嵌入於ASIC、微控制器(MCU)和運算處理器中,都有可能變得比現有的記憶體技術更具競爭力。

預計到2029年,新興記憶體市場可望創造200億美元的合併收入。其中,PCRAM由於價格低於DRAM,可望在2029年前成長至160億美元的市場規模。同時,獨立型MRAM和STT-MRAM(基於自旋轉移力矩的MRAM)的收入將接近40億美元,或超過2018年MRAM收入的170倍。

面對這樣的誘惑,各路廠商如何抉擇—在傳統記憶體上持續演進,還是給新技術一個改朝換代的機會?

新應用對儲存提出新需求

隨著5G的逐步商用,汽車電子化以及人工智慧物聯網(AIoT)應用的大量普及,大部分新興領域的傳統記憶體和儲存架構已不能滿足需求,儲存產業需要在技術和模式上進行創新,才能跟上這樣的趨勢。

在上述的場景中,主要可分為兩個大分類,一個是大量佈署的感測終端,一個是需要即時回應的智慧終端機。華邦電子(Winbond)Flash產品企劃處副處長陳葦霖認為,具體細分市場不同,對記憶體的性能需求也不一樣。對於大量佈署的智慧裝置,成本與功耗是否夠低將是關鍵;而需要一定運算能力的邊緣設備,則需要具備高速讀取寫入介面/能力的記憶體,才能滿足其對於系統性能的要求。

儲存產業的專業人士從幾個主流市場的例子,發表了各自的看法。

矽成半導體(ISSI)技術市場副總監田步嚴認為,5G元件市場主流DDR4的需求將超過DDR3,此外對大容量SPI NOR Flash需求快速增長,平行NOR Flash比例在逐漸減少。汽車電子中的智慧座艙應用,也對記憶體提出了大容量、高頻寬、高速率的要求,從LPDDR4/LPDDR4X逐步過渡到LPDDR5,同時eMMC需求也成長很快,未來在自動駕駛中還需要記憶體具有低延遲、低功耗和自動糾錯(內建ECC)等特性。AI應用方面則要求高頻寬、高速度,目前Arm based 解決方案以雙通道LPDDR4/4X為主,部分FPGA和x86架構以DDR4模組為主。

東芯半導體副總經理陳磊表示,大容量是所有記憶體發展的趨勢,特別是5G大型基地台對大容量NOR Flash的需求。傳統的消費類的NOR以中低容量為主,集中在128Mb以下,但是基地台對NOR的需求是512Mb、1Gb甚至2Gb。低功耗的要求主要在穿戴式的物聯網(IoT)產品上,這類產品的特點是都以電池來驅動系統工作,使用的主要記憶體包括NOR Flash和低功耗DRAM。

「至於小封裝,在AIoT等『霧端』IoT設備上表現明顯,以真無線(TWS)耳機為代表,這類產品本身的內部空間非常狹小;」陳磊說道,「所以在這些應用領域,我們不僅要提供晶圓級的封測產品,有的廠商更提出要提供系統級封裝(SiP)晶圓產品。」

從硬體上來說,實現汽車的智慧化需要更多的環境感知,兆易創新Flash事業處資深產品市場總監陳暉表示,隨著感測器和更多MCU整合到系統中,汽車電子各功能單元的資料都需要更高性能的Flash;從軟體上來說,隨著更多軟體的整合,程式碼量逐漸增加,直接導致Flash的容量需求越來越大。

其次是即時響應,對於高性能IoT應用,由於受到系統成本、功耗和尺寸的限制,通常會考慮減少或者去除DRAM,主晶片可以從Flash直接執行程式碼,即晶片內執行(XiP),採用這種運作方式的Flash,能夠大幅度縮短固定位元組資料的讀取時間,減少主晶片的等待時間,從而提高主晶片的效率。

可靠性和安全性也是這些應用重點關注的問題。陳暉認為,對Flash而言,需要保證20年內的資料保存和10萬次以上的擦寫次數。而安全性方面,相對於系統單晶片(SoC),Flash用於儲存眾多關鍵系統程式碼、應用程式碼以及驅動程式,當應用和設備遭到攻擊時,Flash更容易被當作攻擊的第一目標,記憶體廠商要與主晶片廠商緊密配合,才能將Flash與SoC進行安全性綁定,提升整體系統的安全性。

從主控晶片角度分析

隨著3D NAND Flash層數越來越高,所衍生的相互干擾與資料潛在錯誤率,NAND Flash主控晶片這時候也需要與時俱進。「我們在Flash控制晶片中加入了專利AI演算法,加強ECC的修正能力;」衡宇科技行銷專案副總胡家銘表示,這能讓使用者在享用越來越高容量的同時提升資料安全性。他介紹,主控晶片中的錯誤更正模組,歷經從BCH (Bose、Ray-Chaudhuri、Hocquenghem)碼發展到LDPC (Low Density-Parity Check)碼的發展過程,資料流程設計從單純的硬解碼,進步到含有NAND通道狀態參數的軟解碼。

「我們的重點在於調整NAND通道搭配設定環境狀態參數值,結合自我適應AI的動態演算法,選擇最佳的參數設定。」胡家銘說,NAND通道狀態參數的品質會影響LDPC的解碼能力與容錯率,NAND的狀態分佈隨著時間、溫度環境,跟使用次數會一直改變並且壽命會衰減,NAND通道狀態參數跟NAND的讀寫操作狀態息息相關。運用自我調整AI技術,可以透過訓練來辨識NAND的狀態並且加以預測當下NAND通道的狀態參數,達到最大量化資訊並提升LDPC的隨機錯誤保護能力,有效延長NAND使用壽命。

5G除了速度倍增以外,頻寬也加大,另外也帶動了AIoT應用中最重要的邊緣運算(Edge computing)。慧榮科技(Silicon Motion)市場行銷暨研發資深副總Nelson S. Duann分析,邊緣運算會帶來大量的資料需求,再加上內部運算需要快速的資料分析及存取,因此「存放裝置原先最常使用的SATA III介面已經漸漸無法滿足5G × AIoT的需求,而取而代之的是PCIe介面。從Gen3 x2、x4再到更快速的Gen4 x2、x4,都已經達到亦或是超出5G目前所需要的速度。」另外他也指出,在5G × AIoT的網路世界裡,安全更是其中最重要的一環,「不僅僅要提供資料在內部傳輸的端到端加密,還要在資料保護上提供AES、OPAL等加密標準,才能使得固態硬碟(SSD)在5G和AIoT等技術的快速演進下跟上腳步。」

而在汽車電子化的演進下,越來越多的電子技術也在車上逐漸實現,先進駕駛輔助系統(ADAS)、自動駕駛等技術對於存放裝置的速度以及穩定性有了更高要求,並且為了降低震動的風險,基本上都使用嵌入式的SSD作為存放裝置。Duann表示:「需要有各種規格的車載SSD來滿足不同的需求,除了eMMC、SATA、PCIe以外,目前最新的UFS也已經準備好要用於車載領域。」

DRAM和NAND不斷演進

作為記憶體晶片產業的兩大驅動力,DRAM和NAND技術都在不斷演進。隨著美光(Micron)量產首批LPDDR5晶片,LPDDR5和UFS3.0將成為5G手機標配,進一步滿足5G手機對儲存讀寫速度和功耗的要求。

在陳磊看來,將來DRAM的發展趨勢有兩個:「一個是高頻寬,包括採用TSV的HBM、HBM2 或HMC;另一個是低延遲的RLDRAM。」在NAND Flash上,目前國際主流製程都已經是3D NAND,包括三星(Samsung)、海力士(SK Hynix)、美光和東芝(Toshiba)等基本都進入了96層的3D NAND。TLC 3D NAND製程已經成熟,也已經看到QLC的3D NAND在SSD上使用。

目前控制器IC在製程也已進入1x nm節點,衡宇科技表示對未來UFS市場持正面看法,而同時eMMC市場也會持續應用在其他嵌入式產品上,與UFS並存。一個是高速/高容量的應用領域,一個是低耗電/低容量的應用領域。對於QLC/PLC這類儲存技術,胡家銘認為初期還不會用在嵌入式產品上,而是會以其可插拔的Flash產品特性為主要應用市場,例如uSD/SSD/USB,技術更成熟後才會進入嵌入式產品。

從製程結構上看,NAND Flash的3D堆疊的層數已經從32層來到92或96層,即使128層或更多堆疊層數也都已經在NAND廠商的技術藍圖上;從速度上看,3D NAND介面的速度已經從800Mbps提升到1,600Mbps,接下來就上看2,000Mbps以上。為了因應3D NAND的製程轉換和速度提升,「記憶體控制器會預先規劃支援各家最新NAND介面的速度,同時也將滿足低功耗、高性能的要求;」Duann指出,「以行動儲存應用的UFS為例,就非常需要高性能、低功耗及如何管理3D NAND讓整個儲存產品壽命延長。」

LDPC電路對於3D NAND ECC的糾錯更正是必備,RAID是另一個管理NAND的利器,各家3D NAND都有稍許不同的要求。

阻礙新興記憶體的因素

一些新興記憶體技術,如MRAM、 STT-MRAM、PCRAM、ReRAM、 FRAM等已被提出來幾十年,仍在等待合適的時機爆發。據Objective Analysis和Coughlin Associates發佈的最新年度報告《Emerging Memories Ramp Up》顯示,MRAM、PCRAM和ReRAM已經發展到關鍵期,並且已經開始取代SoC中的大部份嵌入式NOR Flash、SRAM,甚至是DRAM。

應用材料(Applied Materials)金屬沉積產品事業部全球產品經理周春明在接受EE Times China 採訪時曾表示,這些新型記憶體既能提供更多工具來增強近記憶體運算(Near Memory Compute),也是下一階段記憶體內運算(In-Memory Compute)的建構模組。

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(圖片來源:應用材料)

然而,阻礙他們的最大因素或許還是成本。

記憶體是一個成本導向的產業,在記憶體技術選擇中,較昂貴的技術通常被低成本的技術所取代。陳暉表示,記憶體的容量和單元大小決定了記憶體的單位成本,容量越大、儲存單元越小,單位成本就越低。在此同時,要取代現有技術,需要找到關鍵的市場應用,這也是新興記憶體的重要挑戰之一。

在所有不斷湧現的新興記憶體中,MRAM最有可能被廣泛採用,然而這既取決於製程的進步,也取決於支援離散和嵌入式MRAM元件技術的生態系統之改善。舉例來說,第一代MRAM (Toggle MRAM)具有非揮發性、高可靠性、快速讀寫的特性,可以有效抵抗高輻射以及高溫環境,Toggle MRAM的主要缺點是功耗相對高、尺寸比較大,受限於整合度和成本,應用市場主要集中在軍工、航太、車載、醫療等領域。

而新一代的MRAM技術—STT-MRAM,得益於其在功耗、持久和耐用上的優異性能,受到產業的廣泛關注,目前主要應用在企業級儲存,包括SSD buffer、RAID buffer等。

FRAM方面,「由於尺寸延展性和高成本的瓶頸,基於PZT的FRAM發展受到限制,基於二氧化鉿(HfO2)的新型FRAM受到業界的關注,但尚處於早期研發階段;」陳暉表示,WebFeet Research研究資料顯示,FRAM 2018年全球市場規模約1.3億美元。

漢薩科技(Hexas)執行長王振志認為,新型記憶體首先要解決的問題是薄膜的介面電性與材料物理特性,而且須與主流技術如DRAM搭配,才能在容量密度、操作速度和信賴度上匹配現有的記憶體規格與條件,在容量密度、量產化和替換彈性度上佔有先機。

避開正面戰場 尋求新興應用

陳葦霖認為,目前Flash與DRAM保持大量穩定生產,產品品質也非常高,而且也因為產品特性而衍生出相關硬體與軟體相互支援的生態系統;「因此在既有應用下,新興儲存技術要挑戰目前廣泛使用的Flash與DRAM十分的困難。」

但是他補充,新興記憶體的價值較容易在現有產品無法使用的特殊場景中被重視,如高環境溫度、極低功耗需求。然而特殊應用場景意味著需求稀少,如何找到可以爆炸性成長的特殊殺手級應用十分重要。憑藉早期少量多樣的需求,逐步完備新興記憶體的品質同時,降低生產成本是最大的挑戰。

田步嚴和陳磊也持相同觀點,就是新型的非揮發性產品短期內不會取代傳統的揮發性記憶體。因為從成本來說,這類新品單位元的價格依舊偏高,儲存密度也還遠不及今天的3D NAND和DRAM。另外,生態不夠健全,製程演進速度也偏慢,現在都是在替代嵌入式的eFlash和SRAM市場。只有等容量達到今天NAND的水準,且成本大幅下降,才有可能取代現有的SPI NOR、NAND和DRAM。

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DRAM、NAND和3D XPoint技術的性能比較。

對於獨立的記憶體市場來說,研發和推廣新產品成本很高,對於已有成熟儲存產品的市場,取代趨勢不易,所以新型記憶體往往朝新興應用市場發展。

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