關注次世代嵌入式內存技術的時候到了

　　也該是時候了，經過十多年的沉潛，這些號稱次世代內存的產品，總算是找到它們可以立足的市場，包含FRAM(鐵電內存)，MRAM(磁阻式隨機存取內存)和RRAM(可變電阻式內存)，在物聯網與智能應用的推動下， 開始找到利基市場。

　　率先引爆話題的，還是臺積電。

　　2017年5月，臺積電技術長孫元成首次在其技術論壇上，發(fā)表了自行研發(fā)多年的eMRAM(嵌入式磁阻式隨機存取內存)和eRRAM(嵌入式電阻式內存)技術，分別預定在2018和2019年進行風險性試產， 且將采用先進的22奈米制程。

　　研發(fā)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，以滿足未來智能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(fā)相關的產品與制程技術。

　　通常，一個一般的嵌入式設計，其實用不上嵌入式內存的技術，只需要常規(guī)的NOR和NAND Flash內存，搭配DRAM即可。 若是對于系統的體積與運作效能有更高的需求，例如智能型手機和高階的消費性電子，也能透過使用MCP(Multi Chip Package;多芯片封裝)技術，將為NOR和DRAM，或者NAND和DRAM封裝在一個芯片中來達成。

　　若有較高的數據儲存需求，則可使用eMMC(embedded Multi Media Card)嵌入式內存規(guī)范技術，運用MCP制程將NAND Flash與控制芯片整合在一個BGA封裝里，再搭配DRAM來設計系統。

　　更先進的系統，則可使用eMCP(embedded Multi Chip Package)嵌入式多芯片封裝技術，把NAND Flash與DRAM，以及NAND Flash控制芯片封裝在一個芯片上，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。

　　然而，隨著網絡傳輸帶寬越來越大，智能應用衍生的數據運算與儲存需求也水漲船高，嵌入式系統對于內存封裝技術的需求也扶搖直上，并尋求效能更好的內存解決方案。 此時，新一代的嵌入式內存技術與次世代非揮發(fā)性內存的結合就成了最佳解決方案。

　　物聯網與AI推升次世代內存需求

　　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慮的兩大關鍵，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(yè)和公共設備的領域上。

　　另一方面，隨著人工智能的發(fā)展，智能化的需求開始涌現在各個產品應用上，包含汽車、醫(yī)療與金融業(yè)，對運算效能的需求也倍速增加，因此產業(yè)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內存解決方案。 此時，人們又把目光移到當年被冷落的次世代非揮發(fā)性內存身上。

　　相對于目前主流的NOR與NAND Flash內存，這些號稱次世代內存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(yè)的環(huán)境，唯一的缺點，就是成本。

　　也由于成本的緣故，這些次世代內存并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內存目前仍沒有大量商用的價值，也完全無法跟主流的閃存競爭。 不過如果針對特定應用，或者是嵌入式內存等級的設計，那么這些次世代內存可說是明日之星。

　　目前市場上能夠提供次世代內存產品的業(yè)者并不多，主要的有富士通(Fujitsu)和賽普拉斯半導體(Cypress)提供FRAM產品，采用串行(I2C和SPI)和并列接口的解決方案，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(yè)者， 提供的芯片容量從128Kb到16Mb，而主要的應用領域則集中在工業(yè)、航天、車用、能源與物聯網。

　　至于RRAM，則被業(yè)界認為最有機會成為主流次世代內存的技術，同時也是目前投入研發(fā)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(yè)者眾多，但其中僅有Adesto Technologies和Crossbar具有商業(yè)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。

　　在臺灣，工研院也成功研發(fā)出RRAM的生產技術，并已在院內的8吋晶圓試產，未來將會與臺灣的內存業(yè)者合作，導入12吋晶圓的制程尋求量產的機會。

　　更具殺傷力的嵌入式內存技術

　　獨立式(standalong)的次世代內存已可大幅提升系統的效能，但采用直接在SoC芯片中嵌入的設計，則可將效能再往上提升一個等級。 因此，嵌入式內存技術所帶來最直接的成果，就是效能與體積。

　　由于嵌入式內存制程是在晶圓層級中，由晶圓代工廠把邏輯IC與內存芯片整合在同一顆芯片中。 這樣的設計不僅可以達成最佳的傳輸性能，同時也縮小了芯片的體積，透過一個芯片就達成了運算與儲存的功能，而這對于物聯網裝置經常需要數據運算與數據儲存來說，非常有吸引力。

　　以臺積電為例，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，目前主流的閃存因為采電荷儲存為其數據寫入的基礎，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制程的SoC設計里。 雖然可以透過軟件糾錯和算法校正，但這些技術在嵌入式系統架構中轉換并不容易。 所以結構更適合微縮的次世代內存就成為先進SoC設計的主流。

　　另一方面，次世代內存也具有超高耐用度的，所以無論是對環(huán)境溫度的容忍范圍或者存取的次數，都能遠遠超過目前的解決方案，因此這些新的嵌入式內存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(fā)表了10nm制程的技術，突破了目前NAND Flash的極限。 近期MRAM技術也宣布其制程可以達到10nm，甚至以下。

　　不過次世代嵌入式內存SoC芯片的制程非常困難，不僅整合難度高，芯片的良率也是一個門坎，目前包含臺積電、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(fā)上。

　　而以發(fā)展的時程來看，次世代嵌入式內存技術將會先運用在特定用途的SoC和MCU上，而隨著制程成熟與價格下降后，將會有更多的應用與市場。