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實現物聯網與雲端運算的新型記憶體技術
更有效率處理資料

【作者: 王岫晨】   2019年10月04日 星期五

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現今的大容量記憶體技術包括 DRAM、SRAM 和快閃記憶體,這些技術是在數十年前發明,已廣為數位裝置與系統所採用。新型記憶體-尤其是 MRAM、ReRAM 與 PCRAM-提供獨特的優點,但是這些記憶體所採用的新材料,同時為大量生產帶來了相當程度的挑戰。


半導體產業面臨的機會與挑戰

應用材料公司半導體事業群金屬沉積產品處全球產品經理周春明指出,物聯網與工業4.0的發展讓資訊量呈現爆炸性的增長。所有資料都必須在邊緣收集,並從邊緣到雲端的多個層級進行處理和傳輸、儲存和分析。要將爆炸的資料轉變為有價值的資訊,將仰賴人工智慧和機器學習。此外,摩爾定律正面臨擴張速度的急遽減緩,已無法再提供功耗、效能和面積成本(PPAC)的同步提升。



圖一 : 物聯網的發展讓資訊量呈現爆炸性的增長。所有資料都必須在邊緣收集,並從邊緣到雲端的多個層級進行處理和傳輸、儲存和分析。
圖一 : 物聯網的發展讓資訊量呈現爆炸性的增長。所有資料都必須在邊緣收集,並從邊緣到雲端的多個層級進行處理和傳輸、儲存和分析。

由人工智慧和大數據所推動的新運算需求,加上摩爾定律擴展的趨緩,造成硬體開發和投資的復興。各種規模的企業正競相開發新的硬體平臺、架構與設計,以提升運算效率,例如 MRAM、ReRAM 和 PCRAM 等新的記憶體技術興起,便是晶片與系統設計人員都致力研究的關鍵領域。這些新型記憶體提供更多工具來增強進記憶體運算(Near Memory Compute),也是下一階段記憶體內運算(In-Memory Compute)的建構模組。


適用於物聯網的 MRAM

隨著 AI 時代需要提升晶片的效能與效率,對於新記憶體技術的需求也不斷增加。新的材料與裝置類型可以扮演重要的角色,實現物聯網、雲端與 AI 產品適用的高效能、低耗能嵌入式記憶體。而AI、機器學習與物聯網的精進,使得工作量日趨成為資料密集與高複雜度,需要創新的記憶體技術方能有效率處理資料。


電腦產業正在建構物聯網,其中將會有數百億個裝置內建感測器、運算與通訊功能,用來監控環境、作決策和傳送重要資訊到雲端資料中心。在儲存物聯網裝置的軟體與 AI 演算法方面,MRAM(磁性隨機存取記憶體)是儲存用記憶體的首選之一。



圖二 : 以統合式 MRAM 解決方案取代微控制器中的eFlash和SRAM,可節省高達90%的功耗。
圖二 : 以統合式 MRAM 解決方案取代微控制器中的eFlash和SRAM,可節省高達90%的功耗。

MRAM是一種極為快速、元件容忍度高的非揮發性記憶體,有望在物聯網與 AI 應用中,取代嵌入式快閃記憶體和第 3 級快取 SRAM。MRAM 採用硬碟機中常見的精緻磁性材料。MRAM本來就是快速且非揮發性,就算在失去電力的情況下,也能保存軟體和資料。由於速度快與元件容忍度高,MRAM 最終可能做為第 3 級快取記憶體中 SRAM 的替代產品。MRAM 可以整合於物聯網晶片設計的後端互連層,進而實現更小的晶粒尺寸,並降低成本。


全新的記憶體技術

AI、機器學習與物聯網的精進,使得工作量日趨成為資料密集與高複雜度,需要創新的記憶體技術方能有效率處理資料。

周春明認為,新一代的記憶體技術預計可為邊緣與雲端裝置提供優於現有記憶體技術的功耗、效能和面積成本效益。根據研究指出,以統合式 MRAM 解決方案取代微控制器中的 eFlash 和 SRAM,便可節省高達 90% 的功耗。採用單一電晶體 MRAM 取代六個電晶體 SRAM,便可實現更高的位元密度和更小的晶片尺寸。這些功耗與面積成本優勢使得MRAM成為邊緣裝置的理想選擇,相較於傳統的 NAND、PCRAM 或 ReRAM 的儲存級記憶體,更可提供超過10倍以上的存取速度,使得MRAM記憶體成為雲端資料的首選。



圖三 : 新一代的記憶體技術可為邊緣與雲端裝置提供優於現有記憶體技術的功耗、效能和面積成本效益。
圖三 : 新一代的記憶體技術可為邊緣與雲端裝置提供優於現有記憶體技術的功耗、效能和面積成本效益。

PCRAM 和 ReRAM兩種技術都具有結構堆疊,包含容易受薄膜成分和劣化衰退影響的多重元素材料。由於這兩者都是高密度記憶體應用的候選技術,因此設備解決方案需要提供精確的薄膜厚度、成分均衡性和介面品質。以相變單元材料為例,產業界花了數十年的時間才發現具有適當成分的鍺銻碲複合物薄膜材料,並達到最佳化的條件。ReRAM 對記憶體材料的組成也非常敏感。藉由精確控制晶圓上的組成物質,可以顯著強化功耗、效能與面積成本(PPAC)。記憶體單元採用最佳化的基礎成分,可提升 PCRAM 裝置功率並加快運作速度。


雲端中的 ReRAM 與 PCRAM

隨著資料量產生呈現指數性遽增,雲端資料中心也需要針對連結伺服器和儲存系統的資料路徑,達成這些路徑在速度與耗電量方面的數量級效能提升。ReRAM(電阻式隨機存取記憶體) 與 PCRAM(相變隨機存取記憶體)是快速、非揮發性、低功率的高密度記憶體,可以做為「儲存級記憶體」,以填補伺服器 DRAM 與儲存記憶體之間,不斷擴大的價格與性能落差。


ReRAM 採用新材料製成,材料的作用類似於保險絲,可在數十億個儲存單元內選擇性地形成燈絲,以表示資料。對照之下,PCRAM 則採用 DVD 光碟片中可找到的相變材料,並藉由將材料的狀態從非晶態變成晶態,以進行位元的編程。類似於 3D NAND 記憶體,ReRAM 和 PCRAM 是以 3D 結構排列,而記憶體製造商可以在每一代的產品中加入更多層,以穩健地降低儲存成本。ReRAM 與 PCRAM 也提供編程與電阻率中間階段的可能性,讓每個儲存單元可以儲存多個位元的資料。


相較於 DRAM,ReRAM 與 PCRAM 皆承諾未來可大幅降低成本,而且讀取效能也比 NAND 和硬碟機快上許多。ReRAM 也是未來記憶體內運算架構的首要候選技術,能將運算元件整合於記憶體陣列中,以協助克服 AI 運算相關的資料移動瓶頸。


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