前言

隨著手機、筆記型電腦、微型電腦、行動上網裝置等各類可攜式裝置，對於儲存高容量且高速多媒體影音資料的應用機會越來越多，高容量的高畫質HD或是3D多媒體視訊儲存需要，使得主流的非揮發性快閃記憶體（Flash Memory），在獨立記憶體（standalone）儲存裝置的市場發展也越來越廣。快閃記憶體將朝向大容量和高讀寫速度的發展趨勢邁進，這也不斷推動著NAND Flash的技術革新，同時也催生出其他非揮發性記憶體技術、持續朝向市場商業化的目標前進。

市場需求帶動NAND Flash應用

《圖一　NAND Flash應用趨勢示意圖 》 資料來源：美光（Micron）

市場對於影音多媒體儲存在容量和速度的需求越來越高，正帶動NAND Flash的應用廣度。目前NAND Flash主要以快閃記憶卡、iPod為代表的多媒體播放器（PMP）、手機、USB Flash Drives等應用為主。預估快閃記憶卡市場規模佔整體NAND Flash應用比例47％；NAND Flash主要應用也將從數位相機朝向手機領域發展。隨著各大廠商陸續推出搭配32Gb～64Gb的MP3及PMP產品，MP3／PMP的NAND Flash平均搭配儲存容量，將會往上增加至5GB或6GB。根據IC Insights預估到2010年，平均每支手機內的NAND Flash容量可達2070Mb。此外，以NAND Flash晶片作為儲存基礎的固態硬碟SSD（Solid State Drive）應用，更進一步帶動NAND Flash的成長；低價電腦、UMPC、MID、Mini-Note等正擴展SSD的應用範圍。

《圖二　Samsung在今年台北Intel Development Forum展示儲存容量8～32GB的SSD產品》

NAND Flash市場前景憂喜參半

短期市場景氣仍陷低迷

短期來看今年下半年甚至明年，全球景氣因金融風暴持續低迷，消費電子產品市況未見起色，整體NAND Flash供過於求的壓力也將持續增加，NAND Flash產業正咬牙苦撐待變。根據Gartner統計數據顯示，去年全球記憶體產值為581億美元，今年可能衰退5％為550億美元；另一方面，市調機構DRAMeXchange統計顯示，MP3播放器記憶卡銷售量已從2008年Q1的48％，下跌至Q2的17％，2008年Q2全球NAND Flash的銷售額為29.04億美元，比起Q1的31.91億美元下跌9％，NAND Flash前三名大廠Samsung、Toshiba、Hynix都處於獲利下跌甚至是虧損狀態。DRAMeXchange並指出，去年NAND Flash晶片價格已重挫58％，今年6～8月又再度下跌36％，到明年平均價格仍呈下滑趨勢，未來整體銷售額也將進一步縮減。

在數位相機、iPod及3G版iPhone為大宗的應用需求未有明顯起色、「蘋果效應」雷大雨小之際，今年下半年快閃記憶卡的市場也已不再熱絡。原本眾所期待的SSD應用，根據Gartner預估，今年SSD佔整體NAND Flash應用比例約只4％左右，規模相對有限，尚未能有效提振近期NAND Flash的頹勢。

長期發展前景審慎樂觀

不過長期來看，NAND Flash發展前景依舊審慎樂觀。根據iSuppli的研究報告顯示，非揮發性記憶體市場在2007年總營收將近225億美元，預估到2011年將會超越377億美元；SEC Marketing則預估，NAND Flash市場總值將在2010年達到80億美元，其中SSD是驅動NAND Flash產業成長的主要關鍵，SSD在 2006～2011年間的複合平均年成長率將達360％。工研院IEK也預估到2012年SSD佔NAND Flash應用比重將達30％，出貨量可達8000萬顆以上。iSuppli也預測，3年內SSD將取代儲存容量60Gb以下的HDD；在明年Q4之前，約莫240萬台的膝上型筆電將採用SSD裝置。

《圖三　歷年Flash Memory產值現況與預估 》 資料來源：Web-Feet Research

NAND Flash廠商投資大者恆大

NAND Flash應用正處於轉型關鍵，市場景氣陷於混沌未明階段。為因應此一態勢，Samsung、Toshiba、Hynix、Micron、Intel、Numonyx等正採取相關策略因應，朝向集中研發的投資模式，藉此分攤研發成本、節省專利授權費，降低成本風險面對市場景氣波動。根據iSuppli及DRAMeXchange數據顯示，Samsung、Toshiba和Hynix三者市佔率，依舊維持在83％以上。Numonyx和Hynix在8月初宣布5年合作計劃，共同投資擴大NAND Flash生產線，並進一步研發可突破目前NAND Flash製程瓶頸的取代技術，例如電荷擷取快閃CTF（Charge Trapping Flash）技術。Toshiba和日月光將在日本建立NAND後段封測廠；Toshiba與SanDisk繼續提高12吋晶圓廠Fab4產能；Hynix在南韓清州的12吋晶圓廠M11已開始投產；Micron計畫在Q4正式量產34奈米的32Gb NAND Flash。NAND Flash產業正朝向集中、大型、技術門檻高的趨勢發展。

《圖四　非揮發性記憶體晶圓製程廠區一隅 》 資料來源：恆憶（Numonyx）

NAND and NOR Flash架構與應用明顯區隔

一般而言，Flash的工作原理是以電子寫入的方式紀錄資料（Program），並以電子移除的方式抹除資料（Erase）。恆憶（Numonyx）技術長暨副總裁Edward Doller表示，快閃記憶體兩大架構NOR和NAND Flash，都需經過將特定位元資料抹除後才可寫入（program），這類似DRAM儲存裝置的bit alter功能。不過NOR以及NAND在儲存架構和應用範圍上有著明顯區隔。由Intel發展出的NOR儲存架構是一種並行架構，需要高電壓和較長的抹除時間；由於讀取速度較快，在資料保全功能也較為完整，因此應用功能以嵌入式執行編碼（execute code）為主。目前NOR已進入大量生產65奈米製程階段，預計在年底之前將轉移到45奈米製程。

《圖五　恆憶（Numonyx）技術長暨副總裁Edward Doller》

《圖六　NOR和NAND Flash矩陣排列架構示意圖 》 資料來源：旺宏電子

由Toshiba研發出屬於堆疊式架構的NAND Flash，讀取速度特別是在隨機存取速度上較慢，不過抹除寫入的時間較快，成本較低，資料保全層級需求較低，在大區塊的寫入效能較佔優勢，可應用於大量影音資料（data）的獨立記憶儲存裝置。不過NAND Flash裝置重新抹除寫入時，就會輕微受損產生壞塊（Bad Block），因此NAND Flash常以控制器管理壞塊，出現壞塊時控制器便將資料轉移到預定其他儲存區間。

Numonyx技術長Edward Doller表示，NAND Flash對於產業的貢獻，在於進一步提供客戶更為開放的記憶體堆疊（stack）架構，加上成本低廉，提升NAND為客戶所接受採用的意願。

《圖七　Hynix在今年台北Intel Development Forum所展示SLC和MLC顆粒的NAND Flash產品》

NAND Flash技術正處於革新關鍵

所有記憶體技術包括NAND Flash進入45奈米以下更微縮化的製程之後，都會逐漸遇上元件物理性質的極限。工研院副院長李世光表示，記憶體技術的成本遵循摩爾定律在下降，所有記憶體在進入更微細化奈米製程時，都會遇到漏電流問題，而所有記憶體革新技術都在解決這項必定歷經的技術難題。工研院電光所所長詹益仁則指出，摩爾定律到32或是22奈米可能將走到盡頭，單純以單一cell才有一位元記憶的架構，已無法滿足市場對於行動多媒體視訊資料儲存的應用需求。

《圖八　工研院副院長李世光》

詹益仁表示，革新Flash Memory技術的發展狀況值得關注，由於Flash讀取速度較慢，且存取次數只有104或105，另外SSD若要進一步取代一般傳統硬碟HDD，記憶可靠度仍要持續突破。李世光也認為，以後Flash進入更微細化的奈米製程，一條奈米線管理一位元資料的基本架構仍然不變，當Flash堆疊起來朝向100GB以上的大容量硬碟發展時，資料在其中如何配置和存取，就會是顯而易見的侷限和難題。

《圖九　工研院電光所所長詹益仁》

美光（Micron）記憶體系統研發部副總裁Dean A. Klein則表示，Flash Memory技術應不斷革新的項目，包括提高記憶胞（memory cell）微縮化尺寸的可擴充能力（Scalability）、簡化製程、注意記憶胞材質與電性的一致性、提升讀取效能和降低功耗等。增加每記憶單元的位元儲存量正是有效提升NAND容量的好方法。Dean A. Klein樂觀地指出NAND Flash並不會因為45奈米以下的微細化製程課題而受到影響，Micron目前已準備量產34奈米的MLC以及SLC NAND Flash產品，並也宣布小於30奈米的NAND架構。另一方面，Samsung也正在創新NAND Flash在90nm製程上的3 bit / cell 架構。

《圖十　美光（Micron）記憶體系統研發部副總裁Dean A. Klein》

那麼，NAND Flash有無擴充侷限的明確時間點？Numonyx技術長Edward Doller認為，當NAND無法滿足客戶需求時，就是停止擴充的時候。目前85％～90％的NAND Flash被應用在低階價格應用市場，NAND Flash的ASP每GB大約只有1美元左右，這也會間接促使記憶體產業及廠商研發下一步主流非揮發性記憶體的可能性。宇瞻科技研發處技術總監龔榮華則表示，當其他非揮發性記憶體技術獲得突破之際，相關應用就會被市場逐漸接受，記憶材料將會不斷革新、歷經破壞性創新的過程。

Flash Memory所面臨的技術挑戰

無論是NOR或是NAND Flash，都會面臨到如何提升記憶胞尺寸可擴充性（Scalability）、穿隧氧化層厚度的極限、閘極絕緣膜不斷薄化、漏電流狀況正在惡化、Floating Gate耦合相互干擾、保持記憶晶胞電性一致性難度高、不易控制微細尺寸記憶晶胞電荷量、以及需要利用演算法及花費較長時間抹除寫入的可靠度問題。

《圖十一　NOR和NAND Cell 資料寫入與抹除機制示意圖 》 資料來源：旺宏電子

耐久性和可擴充性問題

Edward Doller表示，過去這幾年無論是NOR還是NAND Flash記憶體廠商，都在尋找適當的非揮發性記憶體替代技術，因為NOR或是NAND Flash的可擴充性（Scalability）一直是主要難題。NOR和NAND儲存次數只能到10萬次等級，需要經過抹除再覆寫的次數耐久性（Endurance）不足，加上資料保留能力（Data Retention）有待加強，都是NOR和NAND Flash技術上必須克服的侷限。Edward Doller進一步指出，較不同於NAND Flash，Nor Flash若要擴充也須在既有cell以外，可擴充性較不足，在重整覆寫次數耐久性上受限於Floating Gate基本物理材料特性，這也導致NOR Flash在記憶密度上的成長幅度越來越小。當客戶需要容量1Gb的記憶體裝置、讀寫次數可達100萬次、10年資料保存能力的需求時，現在的NOR或是NAND Flash技術侷限都無法滿足。

讀寫次數不足

正因為NAND Flash最高只有10萬次左右的讀寫壽命，NOR甚至更低，Flash Memory若要朝向大容量儲存應用發展，壽命問題更是關鍵。這也是為何許多推出混合型或純快閃硬碟的廠商，大部分只強調Flash Memory抹除或寫入速度效能與低耗電效果，卻對覆寫次數耐久性（Endurance）和資料保留能力（data retention）採取輕描淡寫的態度。

工研院副院長李世光表示，存取次數不足會是Flash Memory目前技術上較大的問題，為改善此問題，工研院電光所最近推出一項革新Flash Memory韌體的技術進展，可讓Flash Memory在讀取時避免長期讀寫同一區域，並把儲存資料放在不同區域來提高使用壽命，這樣即使Flash本身硬體結構沒有調整，也可以增加讀取次數。

微縮化製程讓Floating Gate遇到瓶頸

《圖十二　Floating Gate 耦合問題示意圖 》 資料來源：旺宏電子

目前Flash Memory使用的Floating Gate技術，在45奈米以下微縮製程階段，將逐漸遇到瓶頸。

Numonyx技術長Edward Doller指出，在微細化奈米製程階段，NOR和NAND Flash各自所採取的方式極為不同。NOR Flash一般常用hard electronic injection方式設計微細化製程，但這也產生一定的物理限制，目前也已是NOR Flash本身記憶單位的物理限制極限。NAND Flash則不需要藉此方式設計，因此其物理限制也不盡相同。

NAND Flash目前使用的Floating Gate技術，在45奈米製程之後，由於電荷存在絕緣層，漏電（leakage current）問題會導致資料漏失。因為Flash在寫入時，是利用電壓改變讓電荷從基板通過穿遂氧化層（Tunneling Oxide）儲存在Floating Gate內，即便在沒有電源情況下亦能保存；讀取資料時則可分辨Floating Gate內是否存有電荷，如此產生非揮發性記憶的性質。若進入45奈米以下製程階段，Floating Gate因位元距離過近，會產生操作電壓訊號相互耦合干擾（Coupling Interference），鄰近位元容易造成紀錄資料錯誤，功能便大受影響。

《圖十三　NOR Flash微縮趨勢 》 資料來源：Spansion

《圖十四　NAND Flash微縮趨勢 》 資料來源：旺宏電子

Micron記憶體系統研發部副總裁Dean A. Klein表示，CTF（Charge Trapping Flash）技術對於降低耦合干擾仍然有效，也是現在唯一具有經濟效益的微縮方案。不過Edward Doller則認為，革新NAND Flash所使用的Charge-trapping技術，其效能仍有待考驗，還有許多的步驟必須落實來證明Charge-trapping技術的創新性，包括可靠度以及能否達到MLC階段。

微縮化製程複雜且經濟效益未明

Edward Doller進一步指出，NOR Flash製程進入32奈米階段並不是問題，但記憶寫入（program）更為複雜困難，現在並無法確定32奈米製程投資是否會滿足客戶需要。相關產業也面臨有趣的技術兩難（dilemma）處境，亦即若要進一步投資提升NOR Flash技術的可擴充性，卻會導致NOR Flash記憶密度的成長幅度趨緩，這也反過來限制了自身的可擴充條件。Dean A. Klein也認為，縮小記憶胞尺寸並不直接代表符合成本效益，因為記憶胞尺寸與製程複雜度之間的關係常呈現矛盾結果；投下巨大投資提升設備及改善良率，雖可使晶片面積縮小，能否符合量產經濟效益才是重點。

《圖十五　非揮發性記憶體製程設備昂貴，投資需要符合經濟效益 》 資料來源：恆憶（Numonyx）

目前有些廠商採用黃光微影製程作為改良延續Flash Memory微縮極限的技術，不過投資微影設備所需資金非常高，不是一般記憶體廠商可以負擔的起。當NAND Flash微縮至20奈米製程時，也有可能利用堆疊技術來舒緩因為位元密度增加所給製程帶來的壓力。無論如何，Flash Memory記憶體晶片大廠要提升NOR或NAND Flash的可擴充性、強化覆寫次數耐久性和資料儲存能力，才能延續Flash Memory的技術和市場競爭力。不過Flash Memory要兼顧獨立記憶體儲存高容量與高可靠度的應用需求，眼前技術挑戰不可謂不低。

革新Flash Memory下一步

面對革新Flash Memory技術所面臨的種種難題，記憶體大廠與研究單位為求一勞永逸，也積極投入開發下一步的非揮發性記憶體技術，其中以相變化記憶體（Phase Change Memory；PCM）、Racetrack記憶體、電阻式記憶體（RRAM）和磁阻記憶體（Magnetoresistive RAM）等在技術進展上較為明顯。

相變化記憶體PCM（Phase Change Memory）

不同於Flash Memory屬於電子寫入、紀錄與抹除的記憶方式，PCM是運用與燒錄光碟類似的材料特性記憶，利用在特定的電流脈波之下，由非晶體狀態到晶體狀態的轉換溫度，讓電荷移動衍生不同的電阻值，產生具有快速且可逆的相變化效應，進而使材料在某些特性上產生變化達到記憶效果。

《圖十六　恆憶相變化記憶體PCM 產品Alverstone 》 資料來源：恆憶（Numonyx）

位元可變特性

PCM綜合Flash Memory與DRAM在讀寫速度、堆疊整合、耐久性高以及低耗電的優點：可擺脫奈米微縮化製程的極限、讀寫速度上比Flash Memory可快500倍、電力消耗卻僅為一半、PCM並可保證100萬次覆寫次數耐久性。至為關鍵的是，位元可變性（bit alterability）是PCM與NOR和NAND Flash最大不同之處。當位元1變0或0變1時，NOR和NAND都需要先經過抹除過程之後才能寫入上層位元資料，DRAM無須如此所以速度較快，PCM就是具備與DRAM相同的位元可變特性。不過PCM晶體狀態變更還原所需溫度需要高達600℃，不能影響鄰近儲存單元狀態，生產製程技術難度較為複雜。整體來看，PCM截長補短整合了DRAM的位元可變性、Flash的非揮發性、NOR的快速讀取和NAND的快速寫入特性。

《圖十七　PCM蕈狀架構微影照片 》 資料來源：恆憶（Numonyx）

PCM發展現況

Numonyx技術長Edward Doller表示，除了可擴充性之外，PCM在位元可變性和覆寫次數耐久性的特性佔有技術優勢，PCM的隨機延遲時間（random initial latency）也非常低，在可靠度和系統級除錯設計等亦具有相關優勢。Numonyx發展PCM的主軸，一方面是提供客戶技術開發工具（technology development vehicle），使其進一步熟悉PCM技術特性，另一方面則協助客戶開發PCM市場利基點。目前Numonyx可提供90奈米製程、儲存容量為128Mb的PCM樣品Alverstone，主要作為技術開發工具使用。Numonyx預計在明年Q2推出1Gb記憶容量的PCM產品。此外，Numonyx將以擁有7代NOR Falsh MLC技術為基礎，持續擴展MLC PCM技術的效能與成本效益，未來MLC PCM的問世，將會進一步加速每位元成本的下降速度。

《圖十八　PCM P10 cross sections微影照片 》 資料來源：恆憶（Numonyx）

可逐漸取代NOR Flash

Edward Doller強調，PCM在整體功能上可逐漸取代NOR Flash的執行編碼技術（execute code），在市場上可與NOR Flash一較長短。在可預見的未來，PCM取代既有NOR Flash只是時間問題。工研院電光所所長詹益仁也看好PCM的未來發展潛力，認其將可逐漸取代NOR Flash或是DRAM。

Edward Doller進一步認為，PCM技術發展進入32奈米製程階段時，市場競爭條件就會逐漸成熟。至於如何提高PCM的市場接受度，他表示應縮小PCM晶片尺寸和縮短上市時程並讓成本價格降低，使PCM具備與NOR以及NAND Flash同等級的價格競爭力；PCM若能取代一小部分DRAM以及NAND Flash的既有市場，對於PCM本身應用的投資回報來說就是好的開始。

《圖十九　PCM與NOR和NAND Flash特性比較示意圖 》 資料來源：旺宏電子

另一方面工研院在PCM的發展策略，主要是在於自主研發新材料與相關專利，工研院副院長李世光表示，目前工研院在PCM技術研發的成果有一部份已經技轉給相關業者，由於工研院和IBM各自在PCM領域均有相關專利與合作對象，因此目前工研院和IBM在PCM領域並無進一步合作計劃。

Racetrack記憶體

由IBM開發、以磁阻式記憶體MRAM可任意讀取和高可靠度特性為基礎，結合電子自旋特性、Flash以及HDD優勢的Racetrack記憶體，是利用電子的自旋傳輸翻轉（spin-torque-transfer-switching）來儲存資料，資料繞著導線的軌道（track）競逐（races），在架構上沒有機械移動產生磨損的元件，最重要的是具備無限制讀寫次數功能。

《圖二十　Racetrack記憶體架構示意圖》

工研院與IBM合作開發Racetrack技術

為進一步開發創新Racetrack的技術應用潛力，工研院與IBM宣布合作為期3年的Racetrack記憶體合作計劃，這次是IBM全球首次與國際研發單位進一步合作，初期階段先檢視Racetrack記憶體技術R&D革新部分，計畫把Racetrack技術朝向Stand-alone獨立式記憶儲存裝置應用發展。工研院則結合既有MRAM技術和Racetrack記憶體革新內容，技術人員將前往IBM深入瞭解Racetrack記憶體的整體樣貌。工研院副院長李世光強調，引進Racetrack記憶體技術可說是工研院發展下一階段MRAM技術的重要環節。

Racetrack技術特性

《圖二十一　IBM美國研發副總裁陳自強》

針對Racetrack技術特性，工研院電光所所長詹益仁和副所長徐紹中表示，過去記憶體的每一電晶體（transistor）只能儲存1位元的記憶量，但Racetrack電子記憶端以spin on 和spin down去記憶0和1，利用磁記憶區移動（Domain-Wall Motion）取代機械化移動，使電流驅動Domain-Wall磁區，每一奈米磁線可儲存10～100個記憶資訊單元。Racetrack利用電流驅動就能連續無限次數讀寫，同時電流驅動奈米線時電流仍可以繼續scare down，彌補以往MRAM的侷限。IBM美國研發副總裁陳自強亦表示，Racetrack記憶體具有擴大儲存容量的技術潛力，可以在單一奈米線（single nano wire）擴充10～100位元的記憶胞（cell）容量，加上耗電量小，結合HDD和Flash記憶特性，易彰顯其技術突破點和性價比優勢。

《圖二十二　工研院電光所副所長徐紹中》

垂直式和水平式差別

工研院副院長李世光進一步說明指出，Racetrack記憶體架構可分為垂直式和水平式2種，垂直式Racetrack記憶體架構亦具備高敏感度感測線路以及磁牆旋扭運動特性，如同3D的固態記憶體一般。垂直式Racetrack把硬碟架構放在晶片上，可記憶較多單元面積的容量，但製程也相對複雜。因此水平式Racetrack記憶體的商用化進程會較早，預計1～2年內將會有明顯的技術進展，垂直式Racetrack記憶體則需要大約3年時間。

IBM：10年內終結Flash Memory

IBM研發副總裁陳自強表示，Racetrack技術在MP3音訊儲存、或是MID裝置等立即開機（Instant on）功能的各種應用上，值得期待，不僅可擴充容量、比既有傳統儲存容量提升100倍，更可提升節能省電效率。IBM期望藉由Racetrack技術，在10年內終結Flash Memory及硬碟時代，預估未來水平式Racetrack記憶體將逐漸取代Flash Memory市場，垂直式Racetrack記憶體則朝向取代HDD市場。Numonyx技術長Edward Doller也表示正在密切關注Racetrack技術發展趨勢。

電阻式記憶體RRAM和磁阻式記憶體MRAM

RRAM

RRAM（Resistive RAM）的記憶特性是對材料不同方向施壓電壓脈衝，使材料電阻阻值產生劇烈改變狀態來儲存位元資料，近年來也受到國際半導體大廠和主要研究單位的關注。RRAM的元件結構相當簡單；採用材料並不特殊，大部分半導體廠商均有現成製程能力；另外RRAM元件所需製程溫度不高，因此相當容易與相關元件或電路製程相整合。工研院電光所奈米電子技術組在3年前便積極投入研發電阻式記憶體，最近獲得相當大的技術突破。（詳細內容請參閱P.～P.）

《圖二十三　革新非揮發性記憶體下一步技術 》 資料來源：旺宏電子

MRAM

MRAM（Magnetoresistive RAM）兼具DRAM與Flash特性，運用差異性自旋散射產生磁阻變化的巨磁阻效應（Giant magnetoresistance；GMR）技術，以及透過磁化方向改變電子能態密度產生磁阻變化的穿隧式磁阻TMR（Tunnel Magnetoresistance；TMR）技術，來達到記憶儲存的目的，讀寫次數也沒有限制，可擺脫電子電荷微縮化的侷限。不過即便是利用電子自旋傳輸翻轉（spin-torque-transfer-switching）來儲存資料的MRAM架構，仍須克服降低功耗的難題。目前Samsung和Hynix聯手、Toshiba和Fujitsu與IBM合作，各自均投入資金開發第2代磁阻記憶體STT-RAM。Toshiba、Fujitsu、以及NEC等日本半導體大廠也宣布到2010年為止，總共將投入約30億日圓研發STT-RAM。

革新SSD儲存效能

除了開發下一步可替代的非揮發性記憶體技術外，對於提升目前NAND Flash應用在固態硬碟（SSD）的儲存效能，廠商也針對SSD的儲存特性設計出相關解決方案。

SSD儲存特性

不同於傳統硬碟讀寫頭移動的機械動作，以NAND Flash記憶體為基礎的SSD儲存裝置，是利用傳統區塊寫入／抹除的方式，在此方面的效率改善非常依賴讀寫策略的設計，幾乎不存在隨機讀取延遲（random initial latency）問題。一般而言SLC製程的SSD會比MLC SSD價格高，具備讀取速度快、壽命長且耐震的特性，多應用於高速大容量儲存的伺服裝置中，也適用於航太與軍事用途。單價較低的MLC製程的SSD多應用於儲存資料少搬動且不追求高速的產品中。

《圖二十四　支援SATA的SSD介面卡架構示意圖 》 資料來源：美光（Micron）

SSD儲存侷限

SSD應用也有侷限所在，其持續讀寫效率不會超過HDD，重要的是SSD特定讀寫區損壞，儲存資料會有無法救回的風險，同時由於NAND Flash抹寫次數的限制，SSD亦有使用壽命的瓶頸。Numonyx技術長Edward Doller表示，由於NAND Flash需先抹除資料再紀錄寫入（program）的特性，SSD的IR效能比會受抹除時間的影響；亦即放在SSD前端的抹除動作，會對於SSD的IR效能產生影響。因此有些廠商會把抹除動作放在後端，把更多的NAND Flash放在SSD後端硬碟裝置中進行抹除動作，這樣就需要1.5～2倍位元數處理SSD後端的抹除動作。因此，高穩定度及可靠度對SSD而言相當重要。

《圖二十五　宇瞻科技總經理陳益世》

解決方案提升SSD儲存效能

目前SSD廠商多普遍採用損壞區塊管理（Bad Block Management）、錯誤修正碼ECC（Error Correcting Code）、全區平均抹除寫入（Global Wear Leveling）三種演算法，讓SSD減少抹除及寫入次數，提升NAND Flash晶片在SSD的使用壽命。此外，除錯管理（bit Error Handling）也是增加SSD穩定性的重要關鍵技術。例如Global Wear Leveling技術將所有NAND元件視為同一記憶體單元，控制晶片能將host端資料的邏輯性區塊轉換為物理性區塊，並平均寫於任一NAND Flash元件之中，以此降低同一元件重複寫入的機率，來提升SSD產品的使用壽命。

降低碎片影響效能

《圖二十六　宇瞻科技研發處技術總監龔榮華》

宇瞻科技研發處技術總監龔榮華表示，SSD處於random寫入狀態時更會影響使用壽命，而可用空間零散導致效能降低的現象，是今日所有NAND Flash硬碟的共通問題。若要提升SSD效能壽命並降低功耗，首要之務是降低碎片影響。藉由消除碎片軟體解決方案，可讓SSD讀取速度增加5.9倍，寫入加快19.5倍，隨機讀取提高3.9倍，隨機寫入則提高9.0倍。Diskeeper大中華區總經理張樂陵亦表示，針對NAND Flash裝置開發軟體解決方案，能自動維護檔案系統、降低可用空間零散程度，使檔案能以連續方式而非將區塊分散各處。

整合SLC和MLC SSD因應市場需求

Numonyx技術長暨副總裁Edward Doller表示，SSD應用在消費端時可採用MLC顆粒，但是到企業應用層級時，MLC則無法滿足相關高階儲存需求，大部分採用SLC NAND Flash的SSD產品；Intel針對伺服器、工作站與儲存系統設計的SATA SSD，便採用50奈米 SLC NAND Flash架構。目前市面上絕大部分SSD採用成本較高的SLC NAND Flash架構。

《圖二十七　Diskeeper大中華區總經理張樂陵》

MLC NAND Flash架構的SSD成本只有SLC SSD的1/2～1/3左右，或可降低成本，可是存取速度也會受限，MLC NAND Flash架構在使用上需要功能強大的SSD控制晶片，來克服本身效能、穩定性與使用壽命等限制。此外MLC架構的SSD價格仍高於一般的傳統硬碟，SSD和HDD價差仍約15～60倍左右，這也對整體SSD市場滲透率產生影響。

《圖二十八a　下一世代SSD架構（1）》

《圖二十八b　下一世代SSD架構（2）》 資料來源：工研院

Numonyx技術長Edward Doller認為，未來較可能產生的是分層式解決方案（tiered memory solution），亦即採用多個PCM整合MLC NAND以及SLC NAND的分層式記憶解決方案，提高SSD儲存效能可靠度，以滿足企業儲存應用需要。宇瞻科技技術總監龔榮華表示，未來SSD能否取代HD仍有待觀察，目前SSD仍屬於利基市場性質，仍是以應用於Thin Client小型設備為主。未來宇瞻科技計畫擴大SSD應用於遊戲裝置、機上盒、安全監控系統、軍事資料儲存與清除裝置等的廣度。

結語

目前市場對於主流非揮發性記憶體、特別是NAND Flash獨立儲存應用仍有廣大需求動能，不過當前全球經濟欲振乏力的陰影揮之不去，短期內市場對NAND Flash及SSD的發展規模漸趨保守，長期發展前景仍舊維持審慎樂觀。整體來看，NOR和NAND Flash在儲存架構與應用範圍已明顯區隔，儲存顆粒結構也適切因應可靠度與高容量的應用需求。不過NAND Flash在奈米微縮可擴充能力（Scalability）、儲存覆寫次數耐久性（Endurance）和資料保存能力（Data Retention）的侷限，使其面臨在技術上和經濟上必須革新的關鍵。PCM、Racetrack、RRAM和MRAM等下一步非揮發性記憶體在技術上已有明顯進展，改善SSD儲存效能的解決方案也不斷推陳出新，Flash Memory大廠與研究單位正採取集中合作研發的投資模式，期盼進一步再造非揮發性記憶體技術應用高峰。應用處處有生機，當前景氣回溫不易，重整旗鼓、來日方長，勝利的果實終將掌握在研發資金雄厚、耐心等待契機的大廠手上！