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關注次世代嵌入式記憶體技術的時候到了
 

【作者: 籃貫銘】   2018年01月25日 星期四

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也該是時候了,經過十多年的沉潛,這些號稱次世代記憶體的產品,總算是找到它們可以立足的市場,包含FRAM(鐵電記憶體),MRAM(磁阻式隨機存取記憶體)和RRAM(可變電阻式記憶體),在物聯網與智慧應用的推動下,開始找到利基市場。


率先引爆話題的,還是台積電。


2017年5月,台積電技術長孫元成首次在其技術論壇上,發表了自行研發多年的eMRAM(嵌入式磁阻式隨機存取記憶體)和eRRAM(嵌入式電阻式記憶體)技術,分別預定在2018和2019年進行風險性試產,且將採用先進的22奈米製程。


研發這項技術的目標很清楚,就是要達成更高的效能、更低的電耗,以及更小的體積,以滿足未來智慧化與萬物聯網的全方面運算需求。目前包含三星與英特爾都在研發相關的產品與製程技術。


通常,一個一般的嵌入式設計,其實用不上嵌入式記憶體的技術,只需要常規的NOR和NAND Flash記憶體,搭配DRAM即可。若是對於系統的體積與運作效能有更高的需求,例如智慧型手機和高階的消費性電子,也能透過使用MCP(Multi Chip Package;多晶片封裝)技術,將為NOR和DRAM,或者NAND和DRAM封裝在一個晶片中來達成。


若有較高的資料儲存需求,則可使用eMMC(embedded Multi Media Card)嵌入式記憶體規範技術,運用MCP製程將NAND Flash與控制晶片整合在一個BGA封裝裡,再搭配DRAM來設計系統。


更先進的系統,則可使用eMCP(embedded Multi Chip Package)嵌入式多晶片封裝技術,把NAND Flash與DRAM,以及NAND Flash控制晶片封裝在一個晶片上,不僅進一步簡化電路設計,降低主系統負擔,同時也保留了高儲存容量的可能性。



圖1 : Crossbar是少數具有RRAM商業量產能力的業者,圖為其COMS整合技術,能整合邏輯晶片與記憶體。
圖1 : Crossbar是少數具有RRAM商業量產能力的業者,圖為其COMS整合技術,能整合邏輯晶片與記憶體。

然而,隨著網路傳輸頻寬越來越大,智慧應用衍生的資料運算與儲存需求也水漲船高,嵌入式系統對於記憶體封裝技術的需求也扶搖直上,並尋求效能更好的記憶體解決方案。此時,新一代的嵌入式記憶體技術與次世代非揮發性記憶體的結合就成了最佳解決方案。


物聯網與AI推升次世代記憶體需求

微型化,固然是物聯網裝置的一個主要設計需求,但低功耗與高耐用度也是必須考量的兩大關鍵,尤其是物聯網設備一旦完成安裝,運行時間可能長達數年,特別是工業和公共設備的領域上。


另一方面,隨著人工智慧的發展,智慧化的需求開始湧現在各個產品應用上,包含汽車、醫療與金融業,對運算效能的需求也倍速增加,因此產業也開始尋求能夠匹配高速運算,同時滿足低功耗與耐用需求的記憶體解決方案。此時,人們又把目光移到當年被冷落的次世代非揮發性記憶體身上。


相對於目前主流的NOR與NAND Flash記憶體,這些號稱次世代記憶體幾乎在所有方面完勝它的競爭者,不僅具備更好的讀寫速度,更低的電耗,同時非常耐用,能夠承受在汽車和工業的環境,唯一的缺點,就是成本。


也由於成本的緣故,這些次世代記憶體並沒有大量生產的市場空間,因為如果只從容量價格來看這些次世代記憶體目前仍沒有大量商用的價值,也完全無法跟主流的快閃記憶體競爭。不過如果針對特定應用,或者是嵌入式記憶體等級的設計,那麼這些次世代記憶體可說是明日之星。


目前市場上能夠提供次世代記憶體產品的業者並不多,主要的有富士通(Fujitsu)和賽普拉斯半導體(Cypress)提供FRAM產品,採用串列(I2C和SPI)和並列介面的解決方案,已量產的容量從4Kb至4Mb。


在MRAM方面,則有美商Everspin Technologies和Spin Transfer Technologies (STT),其中Everspin是目前市場上唯一一家提供商用MRAM產品的業者,提供的晶片容量從128Kb到16Mb,而主要的應用領域則集中在工業、航太、車用、能源與物聯網。



圖2 : 記憶體比較圖表
圖2 : 記憶體比較圖表

至於RRAM,則被業界認為最有機會成為主流次世代記憶體的技術,同時也是目前投入研發廠商最多的技術。包含Adesto Technologies、Crossbar、三星半導體(Samsung semiconductor)、美光(Micron)、海力士(Hynix)和英特爾都擁有生產RRAM技術。


但值得注意的是,雖然投入的業者眾多,但其中僅有Adesto Technologies和Crossbar具有商業量產的能力,尤其是Crossbar已與中國的中芯國際合作,正積極拓展中國市場,而提供的儲存容量從128Kb到16Mb。


在台灣,工研院也成功研發出RRAM的生產技術,並已在院內的8吋晶圓試產,未來將會與台灣的記憶體業者合作,導入12吋晶圓的製程尋求量產的機會。


更具殺傷力的嵌入式記憶體技術

獨立式(standalong)的次世代記憶體已可大幅提升系統的效能,但採用直接在SoC晶片中嵌入的設計,則可將效能再往上提升一個等級。因此,嵌入式記憶體技術所帶來最直接的成果,就是效能與體積。


由於嵌入式記憶體製程是在晶圓層級中,由晶圓代工廠把邏輯IC與記憶體晶片整合在同一顆晶片中。這樣的設計不僅可以達成最佳的傳輸性能,同時也縮小了晶片的體積,透過一個晶片就達成了運算與儲存的功能,而這對於物聯網裝置經常需要數據運算與資料儲存來說,非常有吸引力。


以台積電為例,他們的主要市場便是鎖定物聯網、高性能運算與汽車電子等。


不過,目前主流的快閃記憶體因為採電荷儲存為其資料寫入的基礎,因此其耐用度與可靠度在20nm以下,就會出現大幅的衰退,因此就不適合用在先進製程的SoC設計裡。雖然可以透過軟體糾錯和演算法校正,但這些技術在嵌入式系統架構中轉換並不容易。所以結構更適合微縮的次世代記憶體就成為先進SoC設計的主流。


另一方面,次世代記憶體也具有超高耐用度的,所以無論是對環境溫度的容忍範圍或者存取的次數,都能遠遠超過目前的解決方案,因此這些新的嵌入式記憶體技術就更運用在特定的市場。


以RRAM為例,歐洲研究機構愛美科(Imec)幾年前就已經發表了10nm製程的技術,突破了目前NAND Flash的極限。近期MRAM技術也宣布其製程可以達到10nm,甚至以下。


不過次世代嵌入式記憶體SoC晶片的製程非常困難,不僅整合難度高,晶片的良率也是一個門檻,目前包含台積電、聯電、三星、格羅方德(Globalfoundries)與英特爾等,都投入大量的人力在相關生產技術研發上。


而以發展的時程來看,次世代嵌入式記憶體技術將會先運用在特定用途的SoC和MCU上,而隨著製程成熟與價格下降後,將會有更多的應用與市場。


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