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找寻梦幻内存
 

【作者: 廖專崇】2003年11月05日 星期三

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高科技产业之所以兴盛,相当重要的原因之一便是数字技术所具有的记忆与拷贝功能,我们在将复杂的模拟讯号转换为简单的数字讯号时,由于只有「0」与「1」的讯息,因此在记忆数据的时候,只要把具有正负两种特性的物质加以利用就可以了,最明显的就是利用磁性物质的磁场而做成记忆装置的硬盘。


目前数字储存技术主要分成三种:磁式、光电式与半导体式,本文主要探讨的是半导体式的储存技术,不过半导体储存技术基本上又分为挥发性(Volatile)与非挥发性(Non-volatile)两种,挥发性内存技术较为成熟,也是目前半导体记忆技术的主流,包括DRAM(动态随机存取内存)、SRAM(静态随机存取内存)等都是;而非挥发性内存技术包括过去的Mask ROM(光罩式只读存储器)、EPROM(可抹式只读存储器)、EEPROM(电子式可抹写只读存储器)与新兴的Flash(闪存)、FRAM(铁电内存)、MRAM(磁性内存)与OUM(相变化内存)等。


所谓挥发与非挥发的差别在于挥发性内存在电性消失后,储存于其上的数据便消失不见,但是非挥发性内存在电性消失后,仍然能够将数据保存下来,近年来由于可携式电子产品的发展,磁式和光电式的储存设备并无法满足轻、薄、短、小的要求,所以半导体记忆技术尤其是非挥发性记忆技术的成长相当迅速,最近市场上NAND Flash内存更传出缺货的消息。


本文讨论的范围将锁定在新兴的非挥发性内存技术领域,针对未来信息市场的发展趋势,非挥发性、访问速度快、成本低、制程简单、数据储存密度高、耗电量低与可无限抹写等特性,是未来内存技术所必须具备的要点,目前的状况是没有任何一个内存技术可以完全达到上述要求,所以才因应不同的状况采用不同的内存,一但单一内存技术具备所有的特性,那何必需要这么多种内存形式,尽管这个堪称「梦幻内存」的技术还未现身,就现实环境来说或许也不可能由单一内存主宰整个储存市场,不过上述特性可以说是未来内存技术努力的方向,以下将就几个具发展潜力的技术作一探讨。


Flash

Flash是目前非挥发性内存技术的主流,根据业界估计,今年全球Flash内存的市场产值将从2002年的77亿美元,成长到130亿美元,到了2007年更将成长到430亿美元的市场规模,到了明年Flash市场产值就会与DRAM旗鼓相当,2006年时,其产值就将超越DRAM。


Flash的架构大致上可分为具程序执行能力的NOR架构与储存数据的NAND与AND架构,Flash与其他新兴非挥发性技术相较,最大的优势在于其可以用一般的半导体制程生产、成本低,但是其读写速度较DRAM慢,可抹写次数也有极限,加上在进入奈米制程之后,预期将会碰到物理极限,据业界人士表示Flash在45奈米以下几乎不可能再有发展,所以尽管在短期内Flash依然会是非挥发性内存主流,但地位可能不见得稳固。


NOR Type Flash

NOR架构的Flash市场目前由Intel与AMD主导,其主要功能在做程序的储存,像是PC中的BIOS,英飞凌亚太内存产品事业部总监邓启俊表示,由于可携式产品像手机、PDA的快速成长,是带动近年来NOR Flash快速成长的主要原因,除了量的提升,也包括了高容量产品的需求。最近几年逐步降低DRAM产品比重,也相当积极于NOR Flash的华邦电子,该公司销售中心业务部协理黄宜文也指出,NOR Flash尽管近两年成长不若NAND Flash,但是NOR Flash因为新兴应用所带来的成长还是相当可观。


在技术上,Intel不久前才发表1Gb的NOR Flash产品,该公司亚太区通讯产品事业群无线通信产品营销部经理黄承德表示,为增加数据储存密度,Intel利用MLC(Multi Level Cell)技术,在一个储存单位内放上两个数据(2bit in 1cell)。日前AMD也表示要发展密度更高的4bit in 1cell技术,不过相较于2bit in 1cell,4bit in 1cell技术难度就困难许多,目前还未看到实际成绩。


NAND与AND Type Flash

以储存数据为主要功能的NAND与AND架构Flash,是目前市场上最当红的内存,近两年来的新兴应用都以此技术为主,包括小型记忆卡、随身碟等都是。根据IDC的研究报告指出,快闪记忆卡的全球市场规模随着可携式产品的成长而出现爆发性的需求,2001年整体市场出货量为4500万片,2002年提升到5300万片,今年再成长到7000万片左右,2004年将一举突破1亿片的市场规模,如(图一)所示。


数据源:数据源:IDC(2002)


《图一 全球快闪记忆卡出货规模》
《图一 全球快闪记忆卡出货规模》

不过由于NAND Flash相对上属于封闭的的市场,专利权掌握在少数厂商手中,以Toshiba与Samsung为主,SanDisk与M-System也取得部分专利与技术授权,包括拥有AND架构专利已与Mitsubishi合并为Renesas的Hitachi,Renesas台弯分公司技术营销部协理王裕瑞表示,目前数据型的Flash产能缺口大约在30%~50%之间,此情况预计在明年Q2~Q3之间才有可能纾解。而专利权的限制也造成其他厂商看得到吃不到的情况,这也是许多厂商目前积极投入新兴非挥发性内存技术研发的原因之一。


在技术方面,数据型Flash为提高数据储存密度,也发展MLC架构;另外,Samsung日前也发表70奈米制程4Gb的NAND Flash产品,尽管业界预估Flash在进入65奈米之后就会出现瓶颈,45奈米制程几乎就是无法突破的瓶颈,但是黄宜文表示,在新兴的技术成熟之前Flash依然是市场最佳的选择,而且奈米级的产品要迈入量产还有一段时间,在制程进展到65奈米之前,技术的再突破并非不可能,对Flash可能被完全取代的看法并不切实际。


FRAM

FRAM(Ferroelectric RAM)名为铁电内存,FRAM的耗电量极低,可抹写次数也无限大,FRAM的构造为「Perovskite结晶构造」,最能代表铁电内存薄膜材料为PZT,位于结晶中心的锆和钛的原子,会随外部的电界变化位置,即使除去电性也能维持,(图二)是FRAM的结构图。FRAM是目前新兴的非挥发性内存当中最早商品化的技术,Symetrix与Ramtron拥有大部分的专利技术。


《图二 FRAM结构图》
《图二 FRAM结构图》

数据源:数据源:Ramtron


不过,尽管该技术已经问世几年,但和主流非挥发性内存相较,FRAM还没有足够的价格竞争力,原因在于其特殊制程在良率上仍旧难以掌控,目前FRAM的容量为256Kb,根据Ramtron的技术发展蓝图,明年将推出1Mb的产品,将制程推进到0.18微米,2005年再推进到0.1微米;除此之外,架构上也从1T1C的架构变成堆栈式的1T1C架构,预计2005年时成本将降到2001年时的7%左右,市场竞争力将大幅提升。


另外,FRAM由于在高密度的发展上不甚顺利,所以目前许多厂商都先由嵌入式应用切入,例如IC芯片卡,此类产品需求的记忆单元不大,但是FRAM的低耗电特性却可以与其相得益彰,所以各类嵌入式应用或许会成为FRAM未来主要的应用市场。


《图四 Renesas台弯分公司技术营销部协理王裕瑞指出,目前数据型Flash产能缺口大约在30%~50%之间,此情况预计在明年Q2~Q3之间才有可能纾解。》
《图四 Renesas台弯分公司技术营销部协理王裕瑞指出,目前数据型Flash产能缺口大约在30%~50%之间,此情况预计在明年Q2~Q3之间才有可能纾解。》

MRAM

MRAM(Magnetic RAM)磁性内存的技术原理简单的说就是利用磁场与电阻的变化,磁电阻变化的比例越高,代表记忆数据的能力越好。事实上MRAM早在80年代就运用于军事用途,由于许多武器皆具有辐射性,但是一般半导体式内存在遇到辐射时皆会失效,MRAM以磁性物质来记忆数据具有高度的抗辐射性。而Honeywell在1986年左右发表第一代的异向性磁阻(Anisotropy Magneto Resistance;AMR)技术,磁电阻变化为20%左右,让MRAM迈入商业化应用之路,其后又陆续发现GMR(巨磁阻)与穿隧式磁组(TMR)现象可应用于MRAM中。


纵观当前记录媒体的物理读写机制可以发现当记录密度达1000Gb/in2时只有磁的读写机制还存在,MRAM因为采用磁性材料为记录媒体,在物理机制范围下可达1000Gb/in2,又读与写是用与DRAM相类似的机构,因此不像需要读写头的硬盘机来得复杂与精密。另外,当奈米或次奈米制程技术成熟时,积体自旋电子技术也随之成熟,而MRAM是自旋电子科技中的一部份。


就目前所有技术的客观条件来说,MRAM是最接近终极内存的技术,工研院光电所信息存取技术组自旋科技实验室项目经理卢志权强调,MRAM大概还需要4~5年的时间发展才会成熟,现实的条件还需要相当程度的改善,包括磁性物质对于一般半导体的生产算是种污染,所以要生产MRAM至少需要将一整条生产线规划成MRAM专用;要发展MRAM需要兼具半导体与磁电子学的技术,只有少数厂商具备这样的条件。


目前MRAM技术最为成熟的应该算是Motorola,该公司甫宣布发表4Mb的MRAM样品,明年就可以导入量产;另外,成立于美国具备台湾投资背景的联邦半导体,早在2~3年前就已经发表1Mb的产品,不过最近并没有进一步的消息,而且该公司利用的并不是目前多数厂商采用的穿隧式磁组架构,发展前景有待观察。另外,包括IBM、Infineon、ST与部分日系厂商均有投入。


《图五 工研院光电所信息存取技术组自旋科技实验室项目经理卢志权强调,MRAM大概还需要4~5年的时间发展才会成熟。》
《图五 工研院光电所信息存取技术组自旋科技实验室项目经理卢志权强调,MRAM大概还需要4~5年的时间发展才会成熟。》

OUM

OUM(Ovonic Unified Memory)是由Intel所提出的非挥发性内存技术,目前发展的状况应该还停留在实验室的阶段,其原理是利用Ge、Sb、Te等硫系化合物为材质的薄膜来储存数据,数据储存方式类似CD-ROM,以温度造成的相位变化来储存数据,虽然其发展的进度较慢,投入的厂商也不多,但是由于Intel的支持,也成为市场上相当受关注的新兴非挥发性内存技术之一。


OUM的优点在于产品体积较小、成本低、可直接覆写与制程简单,也就是在写入数据的时候不用将旧有数据抹除,制程与现有半导体制程相近,惟读写速度与次数不如FRAM与MRAM,另外,如何稳定维持其驱动温度也是一个技术发的重点。对于OUM目前的进度,Intel表示,今年底将会发表关于OUM技术的最新消息。


结论

除了上述的内存技术之外,其实还有一种名为PFRAM(聚合铁电内存)又名塑料内存的技术;也有厂商利用奈米晶体技术来开发下一代非挥发性内存,只是先前所提及的非挥发性内存技术,除了Flash已经是成熟的技术之外,都还需要一段发展的时间,目前也只有资源较为丰富的大厂有能力以压宝的方式抢先卡位。


反观于国内的厂商由于规模较小,要花费大量的资源在这种前瞻的技术上,往后又不见得可以将这些投资回收,所以多半都处在观望与跟随的角度,但是就另外一个观点来说,台湾在整个高科技产业的实力并不弱,若能够化整为零,透过策略联盟或是政府的力量加以整合、统筹,就像我国20多年前决定发展半导体产业一样,才能建立起我国在下一个世代内存产业的市场地位,持续台湾整体高科技产业的竞争力。


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