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記憶體系統級設計之機會與挑戰
 

【作者: 歐敏銓】   2002年10月05日 星期六

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半個多世紀以來,為了達成類比世界與數位世界的轉換、處理與記憶,各具特色的半導體廠商不斷出現;為了讓個別的功能達到極致,業者多方嘗試開發技術,每年推出數以萬計的新元件,因此電子產品的內部,往往可以見到數十至數百顆小晶片散佈於幾片電路板上。


如今,隨著市場對輕、薄、短、小及高效能產品的需求增加,將更多功能整合在一顆晶片上已成為業者開發的要務。雖然半導體製程及封裝技術不斷突破,讓系統單晶片(System on Chip, SoC)或系統化封裝(System in Package, SiP)的發展露出曙光,但眼前仍有不少瓶頸尚待跨越。就SoC較嚴謹的定義上,應包含處理器核心、記憶體、控制邏輯、I/O及應用軟體,如(圖一)所示,本文即以記憶體這一必要的子系統為軸,一探晶片系統級設計的機會與挑戰。



《圖一 SoC基本架構示意圖〈資料來源:旺宏電子〉》
《圖一 SoC基本架構示意圖〈資料來源:旺宏電子〉》

嵌入式記憶體市場現況

記憶體之產值在西元2000年到達最高峰,其後則有不同之發展。以Dataquest 之資料來看, DRAM在2000到2005之年複成長率約-16.5%,SRAM則為-1.1%,非揮發記憶體(Nonvolatile Memory)卻持1.3%之正成長,主要原因乃拜通訊及手提產品大量成長所須之快閃記憶體所賜。


記憶體主要分為揮發性(Volatile),非揮發(Non Volatile)及其他三種。揮發性記憶體又分為動態隨機存取記憶體(DRAM)及靜態隨機存取記憶體(SRAM)二種。非揮發性記憶體則分為Mask ROM、EPROM、EEPROM及快閃記憶體(Flash)。其他記憶體則如CAM(Content Addressable Memory),FIFO Memory及FRAM (Ferroelectric Memory)等。


其中SRAM因反應速度快,已是嵌入式系統中的標準快取記憶體,往往與處理器核心緊密的配置在一起。由於SRAM每個位元使用6個電晶體(transistor)組成,其存取時間雖短,但密度不易提升、製造成本也較高,因此不適合作為更關鍵的主記憶體系統。華邦電子副總經理王其國也指出,由於SRAM採邏輯元件製程,設計難度不高,因此並非當前記憶體系統設計的瓶頸所在。


至於嵌入式Flash,不論是市場應用或是技術開發上,都已有不少成功的案例。王其國表示,由於嵌入式Flash具有提高存取速度、降低功耗,並提升資料安全性等優勢,加上技術上的可行性高,目前已有不少MCU將Flash整合在一起。旺宏電子系統整合晶片事業中心處長林恆沂也指出,不論是手機、PDA、數位相機或遊戲機等,都是當前快速成長的數位產品,其共同點在於強調可攜性,而嵌入式Flash正可滿足此一需求,預期未來市場將呈現高度的成長。


相較之下,嵌入式DRAM的發展就顯得較不樂觀。王其國認為歷史中早有明證,過去電腦繪圖晶片即嘗試過將DRAM整合入其中,以獲得更高的處理效能,但後來仍然把兩者分開來設計,原因在於開發成本過高,不易回收。環顧市場,除了Sony PS2遊戲機因要求極高速的I/O而特別設計一款嵌入式DRAM的繪圖晶片外,並未見到其他的成功案例,因此王其國並不看好此一市場的發展。此外,由於多晶片封裝(Multi-Chips Package)及多晶片模組封裝((Multi-chip module Package, MCM)等高階封裝技術不斷突破,所提升的效能已可滿足市場的需求。


更實用的系統化封裝途徑

的確,要達到系統整合的目的,並非只有唯一的路可走。林恆沂表示,單晶片確實能做到更小尺寸及更小功耗,並減少後段生產的整體成本,但當整合涉及不同的電路製程(如RF、類比、記憶體及邏輯各不相同),或技術(如0.18或0.13微米)時,為整合而投入的時間、人力、資金往往極為龐大,即使實驗室階段成功,並不保證可以量產,所以至今真正成功的SoC案例仍寥寥可數。請參考(圖二)。



《圖二 SoC面臨複雜的製程技術〈資料來源:旺宏電子〉》
《圖二 SoC面臨複雜的製程技術〈資料來源:旺宏電子〉》

因此林恆沂認為現階段將不同製程、技術的晶片分開設計仍是較佳的方式,但為了達到效率及尺寸上的要求,業者開始重視SiP等封裝技術的替代性選擇。採用封裝方式,將較容易整合不同技術的晶片(砷化鎵、微機電元件、光電元件),而不受晶片的設計變更影響。其實SiP的發展源自MCP與MCM,前者是指多個裸晶片的封裝,後者則包含一塊電路或模組的封裝,至於SiP,其觀念上與MCM相當接近,但更強調在封裝上具有完整的電路功能,不僅是多顆裸晶片的整合,同時可包含有被動元件、電子連接器、天線、電池等,具有更高度應用導向的特性。



《圖三 採堆疊式多晶片封裝的記憶體案例〈資料來源:旺宏電子〉》
《圖三 採堆疊式多晶片封裝的記憶體案例〈資料來源:旺宏電子〉》

王其國即明確指出,MCP是華邦正極力發展的方向,以此方式,華邦將能以更快的速度整合該公司內部涵蓋記憶體及邏輯IC的多樣產品線,提供功能完整的系統封裝晶片。華邦日前已推出一顆採MCP封裝的數位相機影像處理器,包含64M DRAM、Flash和微控制器的不同單元,未來則會針對市場需求持續推出新的整合封裝晶片。


其實MCP記憶體在手機的設計上已被廣泛應用,目前Sharp將兩顆Flash與兩顆SRAM(1T及6T)堆疊封裝在一起的技術,即已佔手機記憶體四成以上的市場;分析師更指出,到了2005年時,可望有八成以上的手機採用MCP模式記憶體。據王其國剖析,另一手機記憶體主導大廠Intel原有意開發整合Flash的基頻單晶片,現在也傾向以MCP方式整合DRAM及Flash,但由於兩者的I/O方式並不一致,預料將遭遇整合上的困難。


然而MCP或MCM並非無往不利,除了界面接合(覆晶接合、銲線接合、捲帶式接合、表面黏著等)的技術外,在封裝前後的測試是另一重要的關鍵。由於是多片Die堆疊或並排封裝,只要其中一片有瑕玼,將讓整顆產品成為廢物,因此在相互影響之下,良率自然下降,這樣的風險並非高價值Die的供應商所願擔負的,因此如何在封裝前即做到所謂的「已知良好晶粒」 (Known Good Die, KGD),成為系統化封裝成功的基礎。另外,由於各個Die的I/O介面特性不同,因此在某種程度上來看,MCP的開發與ASIC頗為相似,要做到最佳化也需要相當專業的技術能力。


市場法則決定一切

其實不論要採SoC或SiP的系統級設計,業者都得在「技術可行性」與「市場需求度」之間取得平衡點,因為羊毛畢竟出在羊身上,產品開發的目的在於獲益,如果整合性晶片所刺激的銷售成長可望大於開發成本,那技術即使再困難,也值得投入各種資源去克服。否則買幾顆元件來組一組,還是最便宜省事的方法。


在PC市場即可看到一顆顆的元件功能不斷地被南北橋晶片組所整合,而這一發展的動力正是市場的需求量大,整合成果不僅提高效能,更能降低產品售價,進一步刺激市場。另一明顯的例子則是無線通訊,目前各家廠商紛紛將焦點放在這個市場,尤其是在手機的設計上,為了達到輕巧、省電等關鍵任務,整合性晶片的計畫正無時無刻在進行著,不久後可望看到手機電路板上從近百顆降到RF、基頻、記憶體等數顆不同製程的關鍵元件。


這種快速發展的整合趨勢,對於台灣廠商可說是亦喜亦憂,堪憂的是,若只要幾顆晶片即可設計出一隻手機,而這些晶片完全掌握在外商手中,那台廠的加值優勢就不再存在了;但所幸不論在技術、標準與應用面上,通訊市場的變化仍大,任何廠商想要寡占或獨占並不容易,尤其當手機計畫加入照相或PDA等功能時,國內廠商仍可找到不小的伸展空間。


以華邦來說,在上(8)月中的年度產品發表會中即宣布,重新定位後的華邦將以行動通訊為發展主軸,其中就加值型記憶體的發展策略上,將針對可攜式手持裝置提出完整的記憶體解決方案。對此,王其國明白表示,華邦看好嵌入式Flash的前景,目前也正從低中階朝高階產品發展;至於DRAM的部分,他認為嵌入式DRAM的優勢不大,因此短期內不會涉足此領域,但為滿足系統化的要求,他相信MCP等封裝技術將扮演重要角色,而華邦也會加強這方面的設計能力,依客戶需求提供KGD乃至於MCP的多樣化產品與服務。


林恆沂也認為,目前嵌入式記憶體以Flash的技術較可行,應用性也較廣,但由於半導體製程及封裝技術不斷在演進,兩者之間既互補又競爭,未來的發展還要看市場的需求而定。他認為摩爾定律提出多時,一再地證明其正確性,而依此理論發展下去,單晶片的電腦終會問世。但即是單晶片電腦的時代來臨,也不可能由一家公司掌握所有技術,因此各公司的設計合作是必然之路。林恆沂強調,旺宏的特色除了不斷創新製程技術,擁有超越下一代、與Intel和AMD並駕齊驅的實力外,更是率先提供嵌入式Flash加值服務的公司,目前正與飛利浦等國際大廠共同開發高度系統整合的新產品。


結論

對於記憶體廠商來說,若能在系統級設計的新領域中提供加值性的產品及服務,將可相當程度擺脫Commodity市場無止境的波動,而與客戶建立更密切的關係。但各項產品功能的整合與否,除了取決於技術的可行性與市場的需求度外,還有一個不可忽視的關鍵,即是廠商之間的權益關係該如何擺平。


若一系統目標的達成涉及多家廠商的產品、技術,這時由誰來主導開發?利益該如何分配?風險又該如何來承擔?這些商業或法律上的問題,往往比技術問題更難搞定,這也是為何當前SoC、SiP成功案例多出於自身掌握完整技術的IDM大廠之手的原因,而國內的IC設計大廠,如威盛、聯發科等,也傾向於自行開發或採併購手段來掌握技術,跨廠合作的案例仍不多見。


這對於台灣的IC設計發展相當不利,因過去以快速反應的長處,即使孤軍作戰仍能獲利生存,但在系統級設計的要求下,反而可能因整合性不足,無力與IDM廠商再爭長短。因此不論是記憶體或邏輯控制的國內設計商,有必要及早摸索出以IP或Die為基礎的合作模式,並從合作中開創出更大的利潤,乃至於自我的品牌空間。


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