關(guān)注次世代嵌入式內(nèi)存技術(shù)的時候到了

　　也該是時候了，經(jīng)過十多年的沉潛，這些號稱次世代內(nèi)存的產(chǎn)品，總算是找到它們可以立足的市場，包含F(xiàn)RAM(鐵電內(nèi)存)，MRAM(磁阻式隨機存取內(nèi)存)和RRAM(可變電阻式內(nèi)存)，在物聯(lián)網(wǎng)與智能應(yīng)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(shù)長孫元成首次在其技術(shù)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(nèi)存)和eRRAM(嵌入式電阻式內(nèi)存)技術(shù)，分別預(yù)定在2018和2019年進行風(fēng)險性試產(chǎn)， 且將采用先進的22奈米制程。

　　研發(fā)這項技術(shù)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(lián)網(wǎng)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(guān)的產(chǎn)品與制程技術(shù)。

　　通常，一個一般的嵌入式設(shè)計，其實用不上嵌入式內(nèi)存的技術(shù)，只需要常規(guī)的NOR和NAND Flash內(nèi)存，搭配DRAM即可。 若是對于系統(tǒng)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(shù)，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(shù)據(jù)儲存需求，則可使用eMMC(embedded Multi Media Card)嵌入式內(nèi)存規(guī)范技術(shù)，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(shè)計系統(tǒng)。

　　更先進的系統(tǒng)，則可使用eMCP(embedded Multi Chip Package)嵌入式多芯片封裝技術(shù)，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(shè)計， 降低主系統(tǒng)負擔(dān)，同時也保留了高儲存容量的可能性。

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

　　物聯(lián)網(wǎng)與AI推升次世代內(nèi)存需求

　　微型化，固然是物聯(lián)網(wǎng)裝置的一個主要設(shè)計需求，但低功耗與高耐用度也是必須考慮的兩大關(guān)鍵，尤其是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一旦完成安裝，運行時間可能長達數(shù)年，特別是工業(yè)和公共設(shè)備的領(lǐng)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(xiàn)在各個產(chǎn)品應(yīng)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)存身上。

　　相對于目前主流的NOR與NAND Flash內(nèi)存，這些號稱次世代內(nèi)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(nèi)存并沒有大量生產(chǎn)的市場空間，因為如果只從容量價格來看這些次世代內(nèi)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(yīng)用，或者是嵌入式內(nèi)存等級的設(shè)計，那么這些次世代內(nèi)存可說是明日之星。

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

　　至于RRAM，則被業(yè)界認為最有機會成為主流次世代內(nèi)存的技術(shù)，同時也是目前投入研發(fā)廠商最多的技術(shù)。 包含Adesto Technologies、Crossbar、三星半導(dǎo)體(Samsung semiconductor)、美光(Micron)、海力士(Hynix)和英特爾都擁有生產(chǎn)RRAM技術(shù)。

　　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(chǎn)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(chǎn)技術(shù)，并已在院內(nèi)的8吋晶圓試產(chǎn)，未來將會與臺灣的內(nèi)存業(yè)者合作，導(dǎo)入12吋晶圓的制程尋求量產(chǎn)的機會。

　　更具殺傷力的嵌入式內(nèi)存技術(shù)

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

　　由于嵌入式內(nèi)存制程是在晶圓層級中，由晶圓代工廠把邏輯IC與內(nèi)存芯片整合在同一顆芯片中。 這樣的設(shè)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(lián)網(wǎng)裝置經(jīng)常需要數(shù)據(jù)運算與數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)、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(shù)據(jù)寫入的基礎(chǔ)，因此其耐用度與可靠度在20nm以下，就會出現(xiàn)大幅的衰退，因此就不適合用在先進制程的SoC設(shè)計里。 雖然可以透過軟件糾錯和算法校正，但這些技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)中轉(zhuǎn)換并不容易。 所以結(jié)構(gòu)更適合微縮的次世代內(nèi)存就成為先進SoC設(shè)計的主流。

　　另一方面，次世代內(nèi)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(shù)，都能遠遠超過目前的解決方案，因此這些新的嵌入式內(nèi)存技術(shù)就更運用在特定的市場。

　　以RRAM為例，歐洲研究機構(gòu)愛美科(Imec)幾年前就已經(jīng)發(fā)表了10nm制程的技術(shù)，突破了目前NAND Flash的極限。 近期MRAM技術(shù)也宣布其制程可以達到10nm，甚至以下。

　　不過次世代嵌入式內(nèi)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(lián)電、三星、格羅方德(Globalfoundries)與英特爾等，都投入大量的人力在相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)上。

　　而以發(fā)展的時程來看，次世代嵌入式內(nèi)存技術(shù)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(yīng)用與市場。