半導體材料製作的記憶體是電子產品中關鍵性的零組件，而半導體式的記憶體元件又有揮發性與非揮發性之分。雖然目前非揮發性記憶體（Non Volatile Memory-NVM，以下本文將泛用NVM或NVRAM此一名稱，它們指的是同一概念的記憶體）單位存取速度與容量不能與DRAM、SRAM等揮發性記憶體相比，但在成本效能比上也逐漸地在追趕當中。

記憶體本身就具有通用與中介的性質，所以發展出來的各類記憶體元件，多能通用於不同系統之間，例如一般DRAM就可以用在各類裝置上，作為隨機存取程式或資料之用。在市場上，記憶體甚至是少數得以浮動價格來買賣的通用商品，就像黃金、玉米或石油一樣。記憶體業者的產銷結構與庫存控制，則直接影響價格的利率波動，因此，記憶體是典型的資本密集與技術密集的產業。

根據此一性質，業者當然也想發展出更通用的記憶體，於是競相提出下一代的記憶體產品，而為了更通用之故，所發展的都是非揮發性的記憶體，這樣才能既做為系統隨機存取之用，又能組成各類的儲存裝置，例如嵌入在可攜式裝置中的儲存容量、彈性應用的記憶卡或固態硬碟等。

理想上或許只要發展一種通用的記憶體(universal memory)就可以了，但在實際的運作上，也會因為競爭而發展出各自的巧門與特殊專精之處，因此所謂通用記憶體只能說是一種理念或路線，不大會有實現的可能，但泛用各類的NVM來代替種種的記憶體則是必然的趨勢。換句話說，在目前的市場競合之下，記憶體只有階段性的主角、配角或主流、非主流之分，以下將依次介紹此一發展路線，以及先進之NVM發展狀況與應用關係。

NVM為通用性主流

非揮發性記憶體最初的技術與應用，在整個系統的記憶體中屬於配角非主流的地位，主因則是在電源斷失時還能保留記憶的技術，通常寫入時要更高的工作電壓與較長的寫入時間，而且次數壽命也不夠多。所以，在寫入不易、次數不多的狀況下，NVM的記憶體只能用於較少存取次數的功能元件，例如BIOS、嵌入式的韌體（資料、程式）等，並使用ROM、Flash之類的記憶體。然而在市場環境趨勢、系統通用性與NVM技術不斷進步的帶動下，NVM已成為記憶體發展的主流，DRAM、SRAM等揮發性記憶體則漸漸成為配角了。(圖一)

《圖一　20年前IBM推出「先進」容量達1Gb的硬碟(左)與現在1Gb的Flash記憶卡(右邊手持)相比，可以看出NVM的通用性與前瞻性。》

市場環境的趨勢

從圖一中可以了解，市場的3C產品無不走向輕薄短小的應用，而且可攜式、行動化的記憶儲存裝置更能提供便利性的整合需求。例如智慧型手機或數位相機，也都會內建基本的NVM記憶儲存空間，並加裝記憶卡來進行擴充。目前主流使用的NVM則是NOR Flash與NAND Flash，因為用半導體材料的Flash很容易整合在狹小有限的機板空間上，著名的iPhone智慧型手機就內建8GB的Flash(圖二)。其它一些消費性電子如MP3、隨身碟等也都是用Flash來做記憶儲存，由於智慧型手機、數位消費性電子越來越重要，使得Flash的需求持續增加，根據Gartner Dataquest的統計指出，2006年NOR Flash加NAND Flash營收總額達202.3億美元，而整體NVM的需求量也已超過DRAM。

《圖二　Apple公司出的iPhone功能多，也夠輕薄短小，一定得用高速、大容量且低耗電的高檔Flash才能應付。》

即使是一般Notebook PC或是UMPC也有這樣的需求，由於這一類的行動運算PC主要是做為一般處理與終端上網之用，因此本身除了要求輕巧、快速開機之外，也不需要用到市場上動則上百GB的硬碟，因此越來越多的裝置也都內建Flash做為記憶儲存之用。著名的低價筆記型電腦OLPC，除了帶來低價的風潮，同時也是電腦使用上的一大革新，它的BIOS使用1024KB SPI介面的flash ROM，另外使用1024 MB SLC高速介面的 NAND flash做為其它記憶儲存之用。(圖三)

《圖三　OLPC的機板直接嵌入了4顆256MB的Flash做為記憶儲存之用》

通用於各類記憶儲存之需要

當然，輕薄短小的可攜式裝置不一定要用Flash，微型硬碟也很好用，但論到通用性則非半導體的NVM莫屬，Flash做成的記憶儲存模組、固態硬碟、記憶卡、韌體IC等，能代替一般的硬碟機、軟碟機、EEPROM記憶體等，所以它的通用性很明顯，也很實際。只要成本效能合乎市場的需要，那麼一個簡單易於統合應用的NVM記憶儲存系統，對於製造業者、第三方開發應用者與使用者都是相當有利的一件事，因為記憶儲存的配置會更靈活有效率。

另外，先進的NVM隨機存取記憶體（NVRAM），也有潛力取代DRAM或SRAM在系統中的地位。其中一是現行的NVRAM如NOR Flash、FeRAM等已可用在一些容許運算處理效能略低的系統上，以便代替一般的DRAM或SRAM，如手機業者會用FeRAM代替SRAM，NOR Flash代替DRAM；再者是新一代NVM不斷地在演進，業者紛紛嘗試創新Flash、FeRAM、MRAM、PCM或其它新穎NVM的解決方案，試圖做成完全通用型的NVM記憶體。

NVM讀寫速度與容量逐漸擴增

本文的立論之一為記憶體會走向NVM的趨勢，但NVM本身仍會有多樣的市場競爭，也就是端賴速度與容量的需要來發展與應用。目前NVRAM就能代替一些DRAM、SRAM的使用，同理當NVM讀寫速度與容量越來越高時，所能通用替代的範圍就會越來越大，NVM已從配角走向主流，未來則是那一種發展中的NVM會成為主流中的主流，進而取得技術與市場的競爭優勢。

但NVRAM要想完全替代DRAM、SRAM還有一大段路要走，而且DRAM、SRAM本身也不停地在進步，想要迎頭趕上談何容易？目前NVRAM除了主流的Flash外，還有FeRAM、MRAM、PCM（PRAM）、STT-RAM（另一種MRAM）等進入實際的市場競爭發展，因此本文將針對這些主要NVRAM做一些初步的分析與比較。

主要NVM之比較與分析

目前的NVM各具優勢，但也都有一些缺點，所以還能各有市場且保持相互競爭的態勢，不過還是以NOR與NAND Flash為目前NVM的主流，只是Flash目前使用的Floating Gate Flash技術，在45奈米之後將會面臨瓶頸，必須要有新的技術來突破，才能延續，其它NVM也都有相當的潛力，也有更創新優異的技術正蓄勢待發，如STT-RAM等，可說是家家有機會、個個沒把握。(表一)

基本技術原理

依照2006年ITRS公佈之內容標準，將記憶體分為基線技術（Baseline Technology）與原型技術（Prototypical Technology）兩種，基線技術方面的記憶體有DRAM、SRAM、NOR Flash與NAND Flash(表一)；而在原型技術方面的記憶體有SONOS、FeRAM、MRAM與PCM，至於STT-RAM由於是新的解決方案，並沒有列在其中，但因為是MRAM的改良，所以應該也是原型技術。另外就是SONOS同屬於Flash的技術，只是在儲存上利用的是Charge Trapping原理，所以也列在原型技術的記憶體表中(表二)。

基線技術類記憶體中的NAND Flash所發展出來的架構，資料讀取速度較慢，但記憶單元較小，所以大部份做為電子裝置中大容量資料存取之用。NOR Flash則是由Intel所發展出來的架構，存取速度較NAND快，主要做為程式碼儲存之用。SONOS結構是將電荷儲存於氮化矽內，並透過上下兩層二氧化矽來阻絕電荷流失。

FeRAM是利用特殊的鐵電材料結構，在加上電壓後得到極化量改變與極化方向的變異，以此來做為儲存之訊號。MRAM是利用巨磁阻或穿隧式磁組原理來作為記憶儲存單元。PCM是利用電流產生熱以改變材料結構，藉此完成資料儲存的功能。當短脈衝之大電流通過相變化材料後，材料因被急速加熱融化後隨即快速冷卻，導致結晶程度差而呈現高電阻質。反之，若施予長脈衝小電流，則材料冷卻速度緩，結晶程度佳，電阻質因而下降。材料阻值高低即成為判斷數位資料0與1的依據。

綜合效能比較分析

在(表三)中做了一個各類記憶體的效能比較，也列入了最新的STT-RAM，顯然STT-RAM與PCM的成本效能與通用性最值得期待，有機會成為下一波的NVM主流，不過還有許多技術上的考驗來證實，同時也要有市場經濟規模的支持才行。

當然，記憶體容量的進展也是否能成為主流的關鍵因素，NAND Flash就是因為容量夠大，即使讀寫效能較差，也能夠受到市場的廣泛使用，並躍升為NVM一大主流，未來Flash再以經濟規模再來做技術改進，前途仍然大有可為。記憶單元的尺寸（Cell Size）越小，生產的記憶體容量也就越大，同時單位成本也越低，所以製程技術的挑戰也不容忽視，FeRAM發展的相當早，但未能成為主流也是此一因素，(圖四)就是各類記憶體Cell Size的進展趨勢比較，是相當重要的參考指標。

《圖四　各類記憶體Cell Size進展趨勢比較（資料來源：ITRS-2007；IEK 2007/05）》

台灣NVM廠商現況報導

在台灣發展NVM最專業的莫過於旺宏電子了，以IDM廠而言也只有旺宏與華邦兩家，然而他們都是發展NOR Flash為主，NOR不像NAND需要自主晶圓廠來拼產能，因此也面臨成本效益上的考驗。以Design House來經營的有常憶科技等，做起來似乎靈活一些，但規模與研發能力也會受限；美商的SST算是規模較大的NVM設計製造廠，其經營團隊也以台灣人為主，但他們也明白表示市場成長顯然已趨緩飽和，需要發展一些延伸性產品來擴展業務。以下將分別介紹這幾家廠商的發展現況：

旺宏電子（Macronix）

成立於1989年的旺宏電子，是一家致力於非揮發性記憶體的專業IDM大廠，過去所發展的Mask ROM產品，主要提供任天堂遊戲機的使用，目前幾乎是全世界碩果僅存的Mask ROM供應商，市場佔有率高達九成以上。雖然如此，該公司仍持續開發ROM的新技術，並以NBit技術成功推出1Gb的XtraROM產品。前些年該公司受到市場波及，營運上相對沈潛低調，但就在2006年減資並出售12吋晶圓廠予力晶，再經過一番重整之後，已陸續推出新的營運展望與前瞻性技術。

旺宏微電子及記憶體事業群副總經理倪福隆在接受採訪時表示，該公司投入在研發上的經費佔營收的13~14%，而且從過去以來就一直保持此一水準，有時候甚至高達20%以上，因此這兩年才能以前瞻性技術與高品質來提高獲利能力並擴大市場佔有率。

關於技術成果，倪福隆說明其Flash目前已達到0.13微米的先進製程，也會繼續往更小的cell size前進。至於Flash在45奈米以後的發展，由於既有的Floating Gate層會因為相互間距離過近而產生干擾，恐怕無法再勝任電荷儲存的功能，所以該公司也提出「BE-SONOS」的技術架構，這是改良SONOS傳統CTF穿遂介電層儲存電荷容易漏失的問題。

有了創新獨到的BE-SONOS技術，旺宏是否會投入NAND Flash的開發生產？倪福隆則表示目前沒有具體的生產計劃，但也不排除未來的可能性發展（編者按：可能的話也在4、5年之後，旺宏於2007年5月28日表示，將與全球第三大DRAM廠奇夢達（Qimonda）合作進軍NAND Flash領域。）。該公司的NOR Flash是以獨立元件的方式來產銷，至於嵌入式的應用倪副總並沒有特別提及，以其IDM的特性，即使有也只是策略性的產品吧。當問到以台灣優勢的產業鏈模式，旺宏是否也考慮走向純粹的IC設計廠時，倪福隆仍表示不排斥且不無可能的意思，不過他強調，當自有的晶圓廠產能滿載時，還是產銷成本最低、獲利最高的模式，所以目前旺宏的經營型態是以輕晶圓廠（Light Fab）來做定位。

旺宏對於新一代記憶體也已有發展與斬獲，早期曾嘗試投入FeRAM，後來評估後放棄，最令人矚目的是與IBM、Qimonda共同發展的PCM，不僅在技術上有重大的突破，相關的論文同時入選為IEDM年度大會最重要的論文之一，具有深遠的影響性意義(圖五)。雖然PCM的各項特性都相當優異，但其它NVRAM的解決方案也陸續提出，對此倪福隆也語帶保留的表示，各種解決方案還是得取決於市場行銷上的有效運作才能勝出，台灣廠商在這方面是有先天不足之處，而且他也認為現在談通用性替代DRAM的NVM解決方案還言之過早。

《圖五　旺宏電子副總經理倪福隆手持該公司試產成功的1Mb PCM晶圓》

所以在市場的競合上，雖然台灣廠商可能無法超越先進大廠，暫時無法全面主導產品標準，不過倪福隆認為台灣在整個半導體產業仍然具有絕對的發展優勢，例如能以更優異的產能、成本取得競爭力，甚至在研發上也常有傑出的表現，因此能吸引國際大廠提供資金相互結盟合作，以取得先進的技術與IP，相對增加更多的競爭籌碼。

華邦電子（Winbon）

成立於1987年的華邦電子，也是一家IDM大廠，經營的項目則比較多元，分為五大事業群─消費電子IC事業群、DRAM產品事業群、記憶IC製造事業群、電腦邏輯IC事業群與快閃記憶體IC事業群。光記憶體的產品就含蓋DRAM、SRAM與Flash，也因為範圍廣的關係，每個事業群各自為一個利潤中心來營運。由於本刊在邀訪本次封面故事主題時，該公司正在調整事業結構，且快閃記憶體事業群也即將換任新的處長，所以只能以既有的資料來做報導。該公司預計明年還會將邏輯事業部門再切割出去，並成立另一家新的公司來營運，也就是說華邦也即將成為一家專業記憶體IDM廠。

有關NVM的產品，華邦是以NOR Flash的開發為主，在新技術上的擴展並不明顯，原則上是以跟進量產的規模來配合市場的需要，雖然Serial與Parallel系列都有，但也只發展到32?Mb的容量（旺宏電子Flash容量已發展到128Mb）。值得觀察的是，原本生產Flash的八吋廠即將於2008年1月出售給世界先進接手，屆時可能得交由其它代工晶圓廠來生產。

不過華邦仍持續在發展新的Flash技術，今年八月並且宣布推出首顆四通道SPI串列Flash記憶體元件，這種快速高性能的NVRAM，可以替代系統中SDRAM的使用，相對減少系統中的元件與成本，這也是該公司在Flash市場的利基發展方向。

常憶科技（Chingis）

成立於1995年的常憶科技是一家Fabless的半導體公司，從中文名稱就可以知道是專業於非揮發性記憶體的開發商，產品包括標準的Flash記憶體元件與嵌入式Flash解決方案。該公司業務處副總經理林政緯在接受採訪時表示，他們是以特有的P-Channel技術來發展相關的產品，目前專注在低密度Flash的領域。林政緯並強調此一技術以2顆電晶體來做為一個記憶單元，有別於一般1顆電晶體的架構，因此能夠以較低耗電與低工作電壓的方式來運作。(圖六)

《圖六　常憶科技業務處副總經理林政緯與產品應用部經理吳孟和（右）》

常憶獨立元件產品除了標準Flash外，另外也擁有與Intel晶片組之標準配合的FWH/LPC Flash整合產品，以及SPI serial Flash技術，該公司產品應用部經理吳孟和表示他們很早就注意到高效能SPI的技術趨勢，所以能提供全世界最快的SPI Flash應用在各類高效能系統產品（如視訊繪圖卡）上。至於嵌入式的應用，他們則是提供晶圓代工廠的搭售為主，不過也會依照客戶的需求來配合做設計服務或客製化的專案。吳孟和特別說明其嵌入式業務是以pFusion平台來整合系統中相關的NVM需要，包括Flash、OTP、EEPROM、MTP等，提供更有彈性的解決方案。

關於以純粹IC設計廠的型態來經營Flash產品，林政緯認為這是台灣廠商在產業鍊上的優勢，目前他們的產品交由晶圓代工廠生產，以成本技術上的綜合考量而言就相當划算，SST就是以此一模式配合TSMC代工生產，並獲取很好的利潤。他認為除非要拼量產規模的NAND Flash產品，才須要擁有自主技術與產能配合晶圓廠，而且台灣廠商在這方面的規模運用還差國際大廠一大截，基本上還是以跟隨的方式，再尋求進一步的策略聯盟，例如力晶與爾必達的產銷聯盟模式。

結語

非揮發性記憶體的通用性使其市場應用越來越廣，這是不爭的事實，雖然短期內還不可能取代DRAM、SRAM，但已確定成為記憶體的主流發展。不過NVM也一定會呈現多樣化的發展，各種NVM之間的競爭的結果，則是會從中再產生一個主流非揮發性記憶體。至於那一種NVM會勝出？這是難以預料的一件事，只能根據各自的優勢與規格來揣測，但廠商本身還是得不斷地應付市場與技術上的挑戰，否則稍一疏失，可能就得「快閃」一邊了。