內(nèi)存應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵指針:容量、速度、可靠度

電子裝置系統(tǒng)中，除了邏輯操作數(shù)件與感測(cè)組件（包括各類電源控制與I/O收發(fā)控制）外，內(nèi)存組件也是其中不可或缺的關(guān)鍵零組件。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，所需要的記憶體型式類別也會(huì)有所差別，所以內(nèi)存的發(fā)展也是五花八門，各種讀取技術(shù)、材料規(guī)格、揮發(fā)性、非揮發(fā)性，乃至于同質(zhì)、異質(zhì)的嵌入整合或系統(tǒng)封裝都不斷地推陳出新。
然而內(nèi)存發(fā)展軌跡也可以說(shuō)只是隨著越來(lái)越龐大的運(yùn)算與感測(cè)功能而亦步亦趨，所以其應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵指針就會(huì)以容量、速度為重點(diǎn)來(lái)觀察。由于配合系統(tǒng)發(fā)展，當(dāng)容量與速度越來(lái)越大、越來(lái)越快，此時(shí)各種數(shù)據(jù)交錯(cuò)復(fù)雜、訊號(hào)強(qiáng)弱不一，且環(huán)境干擾頻繁，因此內(nèi)存的可靠度也是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵指標(biāo)。


無(wú)止盡的容量擴(kuò)充需求
內(nèi)存芯片的容量隨著制造技術(shù)的進(jìn)步而持續(xù)增加，其中以DRAM的單顆芯片容量發(fā)展速度最快，近年來(lái)平均每年翻倍。NAND Flash的單顆芯片容量發(fā)展速度也很快，但略低于DRAM。SRAM和HBM的單顆芯片容量發(fā)展速度相對(duì)較慢。
DRAM的單顆芯片容量不斷提升，主要得益于制程技術(shù)的進(jìn)步。制程技術(shù)的進(jìn)步使得芯片上的晶體管尺寸更小，從而可以容納更多的晶體管。
NAND Flash的單顆芯片容量不斷提升，主要得益于3D NAND技術(shù)的應(yīng)用。3D NAND技術(shù)將NAND Flash的儲(chǔ)存單元堆棧在多層中，從而提高了空間利用率。
SRAM和HBM的單顆芯片容量發(fā)展速度相對(duì)較慢，主要原因是其對(duì)性能和功耗的要求更高。SRAM需要保證高速的訪問(wèn)速度，HBM需要保證高帶寬和低功耗。因此，SRAM和HBM的制程技術(shù)需要更加成熟，成本也更高。
在未來(lái)，隨著制程技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類內(nèi)存的單顆芯片容量將繼續(xù)提升。預(yù)計(jì)到2030年，DRAM的單顆芯片容量將達(dá)到128GB，NAND Flash的單顆芯片容量將達(dá)到32Tb，SRAM的單顆芯片容量將達(dá)到1Gb，HBM的單顆芯片容量將達(dá)到128GB。
內(nèi)存單顆芯片容量的提升，將帶來(lái)以下好處：
1.降低內(nèi)存成本：?jiǎn)晤w芯片容量越大，生產(chǎn)內(nèi)存的成本就越低，從而降低內(nèi)存的價(jià)格。
2.提高電子設(shè)備的性能：更大的內(nèi)存容量可以使電子設(shè)備執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，并存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)。
3.促進(jìn)新應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展：更大的內(nèi)存容量將使開發(fā)人員能夠開發(fā)新的應(yīng)用和服務(wù)，例如大數(shù)據(jù)分析、人工智能等。
總體而言，內(nèi)存單顆芯片容量的提升是未來(lái)內(nèi)存發(fā)展的重要趨勢(shì)，將對(duì)電子設(shè)備和應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。


 
圖一 : 主要內(nèi)存類型在容量和速度速度方面的表現(xiàn)。

配合指令周期的高頻內(nèi)存需求
目前DDR5的頻率可達(dá)6400 MT/s比DDR4高出約50%，主要得益于其采用了新的傳輸協(xié)議。DDR5的傳輸協(xié)議可以同時(shí)傳輸兩個(gè)資料字節(jié)，從而提高了傳輸速率。DDR6和DDR7的標(biāo)準(zhǔn)尚未正式發(fā)布，但根據(jù)預(yù)測(cè)，DDR6的單顆芯片速度將比DDR5高出約50%，達(dá)到8000 MT/s至12000 MT/s。DDR7的單顆芯片速度將比DDR6高出約50%，達(dá)到12000 MT/s至18000 MT/s。
在HBM方面，HBM2e的單顆芯片速度比HBM2高出約25%，主要得益于其工作頻率更高。HBM2e的工作頻率為1250 MHz，而HBM2的工作頻率為1000 MHz。
在未來(lái)，隨著制程技術(shù)和傳輸協(xié)議的不斷發(fā)展，各類內(nèi)存的單顆芯片速度將繼續(xù)提升。而內(nèi)存單顆芯片速度的提升，將帶來(lái)以下好處：
1.提高電子設(shè)備的性能：更高的內(nèi)存速度可以使電子設(shè)備執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，并處理更大的數(shù)據(jù)量。
2.降低功耗：更高的內(nèi)存速度可以使內(nèi)存控制器工作在更低的電壓下，從而降低功耗。
3.促進(jìn)新應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展：更高的內(nèi)存速度將使開發(fā)人員能夠開發(fā)新的應(yīng)用和服務(wù)，例如高性能計(jì)算、人工智能等。
總體而言，內(nèi)存單顆芯片速度的提升是未來(lái)內(nèi)存發(fā)展的重要趨勢(shì)，將對(duì)電子設(shè)備和應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。


萬(wàn)無(wú)一失的可靠度需求
可靠度是評(píng)估計(jì)算機(jī)內(nèi)存的一個(gè)關(guān)鍵指針，特別是在數(shù)據(jù)中心、企業(yè)級(jí)服務(wù)器和關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中。內(nèi)存的可靠度影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的安全性。以下是幾個(gè)主要的可靠度相關(guān)方面：
1.錯(cuò)誤更正代碼（ECC）
ECC內(nèi)存：專為檢測(cè)和修正常見的數(shù)據(jù)腐敗問(wèn)題設(shè)計(jì)。這對(duì)于保證數(shù)據(jù)完整性尤其重要，避免了數(shù)據(jù)損壞和系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。
2.耐用性和壽命
耐用性：尤其是在非揮發(fā)性內(nèi)存（如SSD）中，內(nèi)存單元可以承受的寫入次數(shù)有限，因此提高耐用性是內(nèi)存技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)。
壽命：隨著時(shí)間的推移，內(nèi)存組件會(huì)因?yàn)槲锢砥诤推渌蛩囟匣?。技術(shù)創(chuàng)新旨在延長(zhǎng)內(nèi)存的使用壽命。
3.數(shù)據(jù)保護(hù)和安全
數(shù)據(jù)保護(hù)：防止數(shù)據(jù)丟失和故障的技術(shù)（如RAID技術(shù)）是評(píng)估內(nèi)存可靠性的一個(gè)重要方面。

安全：內(nèi)存技術(shù)的發(fā)展同樣集中于增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性，如加密技術(shù)的整合，以防止數(shù)據(jù)被未授權(quán)訪問(wèn)。
4.環(huán)境適應(yīng)性
溫度和環(huán)境影響：內(nèi)存在不同的溫度和環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)也是其可靠性的重要指標(biāo)。對(duì)于特定應(yīng)用，如航天或軍事用途，內(nèi)存必須能在極端條件下可靠運(yùn)作。
這些可靠性特點(diǎn)對(duì)于確保系統(tǒng)的整體健康和防止數(shù)據(jù)損失至關(guān)重要，并對(duì)選擇適用于特定應(yīng)用的內(nèi)存產(chǎn)品提供了重要的參考。


系統(tǒng)級(jí)內(nèi)存整合方案
為了使內(nèi)存應(yīng)用達(dá)到更高的性能（低延遲、容量堆棧）、更低的功耗和更小的物理空間需求，系統(tǒng)級(jí)整合技術(shù)也是一種主要的解決方案。簡(jiǎn)單而言，系統(tǒng)級(jí)內(nèi)存整合可分成直接將晶粒堆棧在系統(tǒng)單芯片（SoC）中，或利用封裝技術(shù)堆棧芯片與連接基板（SiP），或者結(jié)合以上兩種的CoWoS（3D IC）封裝技術(shù)。
不同的內(nèi)存整合在一個(gè)芯片上，需要有一個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)，例如鈺創(chuàng)科技開發(fā)的異質(zhì)整合平臺(tái)MemorAiLink，提供多樣化的內(nèi)存選擇和完整的內(nèi)存接口 IP 服務(wù)。該平臺(tái)旨在優(yōu)化系統(tǒng)單芯片（SoC）的整體效能和成本，并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
所以，系統(tǒng)級(jí)的內(nèi)存整合種類也有非常多元的發(fā)展，主要還是看應(yīng)用上的需求，在服務(wù)器、AI PC或各類邊緣運(yùn)算上的內(nèi)存整合都可能采用不同的創(chuàng)新模式，來(lái)滿足其設(shè)計(jì)理念。在此就以目前最受矚目的CoWoS來(lái)說(shuō)明其技術(shù)應(yīng)用：


 
圖二 : TSMC的一型CoWoS-R先進(jìn)封裝制程示意圖 (Source:TSMC官網(wǎng))
CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）是一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，具有以下優(yōu)勢(shì)：縮短線路長(zhǎng)度：CoWoS技術(shù)可以將多個(gè)芯片堆棧在一起，縮短芯片之間的線路長(zhǎng)度，從而提高傳輸速度和降低功耗。提高散熱效率：CoWoS技術(shù)可以利用硅中介層（Interposer）將芯片與基板隔開，從而提高散熱效率。提高設(shè)計(jì)靈活性：CoWoS技術(shù)可以將不同類型的芯片整合在一起，例如CPU、GPU、內(nèi)存等，提高系統(tǒng)的整合度和靈活性。因此，CoWoS技術(shù)非常適合用于內(nèi)存的整合。
目前，CoWoS技術(shù)主要應(yīng)用于高性能計(jì)算（HPC）、人工智能（AI）等領(lǐng)域。但在未來(lái)，隨著CoWoS技術(shù)的成本下降和成熟度提高，有望在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括消費(fèi)類電子產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等?？傮w而言，CoWoS技術(shù)有望成為未來(lái)內(nèi)存整合的主要技術(shù)之一。隨著CoWoS技術(shù)的不斷發(fā)展，內(nèi)存將更加高效、可靠、低功耗，并在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)
內(nèi)存的種類繁多，為了特定系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用，不外乎容量、速度與可靠度三項(xiàng)指標(biāo)，這三項(xiàng)指標(biāo)理想上必須做到互相平衡的狀態(tài)，也就會(huì)是系統(tǒng)運(yùn)作上的最佳內(nèi)存解決方案。至于低功耗與低延遲的要求，這是基本的環(huán)保與質(zhì)量概念，當(dāng)然是做到相對(duì)越低越好。以上種種指標(biāo)，促成了揮發(fā)性或非揮發(fā)性內(nèi)存不斷創(chuàng)新且多元發(fā)展，也暗示了很難有單一種類內(nèi)存來(lái)通吃市場(chǎng)的可能性。