CTIMES / 文章 /

找尋夢幻記憶體   【作者： 廖專崇】   2003年11月05日 星期三

瀏覽人次：【4716】 高科技產業之所以興盛，相當重要的原因之一便是數位技術所具有的記憶與拷貝功能，我們在將複雜的類比訊號轉換為簡單的數位訊號時，由於只有「0」與「1」的訊息，因此在記憶資料的時候，只要把具有正負兩種特性的物質加以利用就可以了，最明顯的就是利用磁性物質的磁場而做成記憶裝置的硬碟。 目前數位儲存技術主要分成三種：磁式、光電式與半導體式，本文主要探討的是半導體式的儲存技術，不過半導體儲存技術基本上又分為揮發性（Volatile）與非揮發性（Non-volatile）兩種，揮發性記憶體技術較為成熟，也是目前半導體記憶技術的主流，包括DRAM（動態隨機存取記憶體）、SRAM（靜態隨機存取記憶體）等都是；而非揮發性記憶體技術包括過去的Mask ROM（光罩式唯讀記憶體）、EPROM（可抹式唯讀記憶體）、EEPROM（電子式可抹寫唯讀記憶體）與新興的Flash（快閃記憶體）、FRAM（鐵電記憶體）、MRAM（磁性記憶體）與OUM（相變化記憶體）等。 所謂揮發與非揮發的差別在於揮發性記憶體在電性消失後，儲存於其上的資料便消失不見，但是非揮發性記憶體在電性消失後，仍然能夠將資料保存下來，近年來由於可攜式電子產品的發展，磁式和光電式的儲存設備並無法滿足輕、薄、短、小的要求，所以半導體記憶技術尤其是非揮發性記憶技術的成長相當迅速，最近市場上NAND Flash記憶體更傳出缺貨的消息。 本文討論的範圍將鎖定在新興的非揮發性記憶體技術領域，針對未來資訊市場的發展趨勢，非揮發性、存取速度快、成本低、製程簡單、資料儲存密度高、耗電量低與可無限抹寫等特性，是未來記憶體技術所必須具備的要點，目前的狀況是沒有任何一個記憶體技術可以完全達到上述要求，所以才因應不同的狀況採用不同的記憶體，一但單一記憶體技術具備所有的特性，那何必需要這麼多種記憶體形式，儘管這個堪稱「夢幻記憶體」的技術還未現身，就現實環境來說或許也不可能由單一記憶體主宰整個儲存市場，不過上述特性可以說是未來記憶體技術努力的方向，以下將就幾個具發展潛力的技術作一探討。 Flash Flash是目前非揮發性記憶體技術的主流，根據業界估計，今年全球Flash記憶體的市場產值將從2002年的77億美元，成長到130億美元，到了2007年更將成長到430億美元的市場規模，到了明年Flash市場產值就會與DRAM旗鼓相當，2006年時，其產值就將超越DRAM。 Flash的架構大致上可分為具程式執行能力的NOR架構與儲存資料的NAND與AND架構，Flash與其他新興非揮發性技術相較，最大的優勢在於其可以用一般的半導體製程生產、成本低，但是其讀寫速度較DRAM慢，可抹寫次數也有極限，加上在進入奈米製程之後，預期將會碰到物理極限，據業界人士表示Flash在45奈米以下幾乎不可能再有發展，所以儘管在短期內Flash依然會是非揮發性記憶體主流，但地位可能不見得穩固。 NOR Type Flash NOR架構的Flash市場目前由Intel與AMD主導，其主要功能在做程式的儲存，像是PC中的BIOS，英飛凌亞太記憶體產品事業部總監鄧啟俊表示，由於可攜式產品像手機、PDA的快速成長，是帶動近年來NOR Flash快速成長的主要原因，除了量的提昇，也包括了高容量產品的需求。最近幾年逐步降低DRAM產品比重，也相當積極於NOR Flash的華邦電子，該公司銷售中心業務部協理黃宜文也指出，NOR Flash儘管近兩年成長不若NAND Flash，但是NOR Flash因為新興應用所帶來的成長還是相當可觀。 在技術上，Intel不久前才發表1Gb的NOR Flash產品，該公司亞太區通訊產品事業群無線通訊產品行銷部經理黃承德表示，為增加資料儲存密度，Intel利用MLC（Multi Level Cell）技術，在一個儲存單位內放上兩個資料（2bit in 1cell）。日前AMD也表示要發展密度更高的4bit in 1cell技術，不過相較於2bit in 1cell，4bit in 1cell技術難度就困難許多，目前還未看到實際成績。 NAND與AND Type Flash 以儲存資料為主要功能的NAND與AND架構Flash，是目前市場上最當紅的記憶體，近兩年來的新興應用都以此技術為主，包括小型記憶卡、隨身碟等都是。根據IDC的研究報告指出，快閃記憶卡的全球市場規模隨著可攜式產品的成長而出現爆發性的需求，2001年整體市場出貨量為4500萬片，2002年提升到5300萬片，今年再成長到7000萬片左右，2004年將一舉突破1億片的市場規模，如(圖一)所示。 資料來源:資料來源：IDC（2002） 《圖一　全球快閃記憶卡出貨規模》

不過由於NAND Flash相對上屬於封閉的的市場，專利權掌握在少數廠商手中，以Toshiba與Samsung為主，SanDisk與M-System也取得部分專利與技術授權，包括擁有AND架構專利已與Mitsubishi合併為Renesas的Hitachi，Renesas台彎分公司技術行銷部協理王裕瑞表示，目前資料型的Flash產能缺口大約在30％～50％之間，此情況預計在明年Q2～Q3之間才有可能紓解。而專利權的限制也造成其他廠商看得到吃不到的情況，這也是許多廠商目前積極投入新興非揮發性記憶體技術研發的原因之一。

在技術方面，資料型Flash為提高資料儲存密度，也發展MLC架構；另外，Samsung日前也發表70奈米製程4Gb的NAND Flash產品，儘管業界預估Flash在進入65奈米之後就會出現瓶頸，45奈米製程幾乎就是無法突破的瓶頸，但是黃宜文表示，在新興的技術成熟之前Flash依然是市場最佳的選擇，而且奈米級的產品要邁入量產還有一段時間，在製程進展到65奈米之前，技術的再突破並非不可能，對Flash可能被完全取代的看法並不切實際。

FRAM

FRAM（Ferroelectric RAM）名為鐵電記憶體，FRAM的耗電量極低，可抹寫次數也無限大，FRAM的構造為「Perovskite結晶構造」，最能代表鐵電記憶體薄膜材料為PZT，位於結晶中心的鋯和鈦的原子，會隨外部的電界變化位置，即使除去電性也能維持，(圖二)是FRAM的結構圖。FRAM是目前新興的非揮發性記憶體當中最早商品化的技術，Symetrix與Ramtron擁有大部分的專利技術。

《圖二　FRAM結構圖》

資料來源:資料來源：Ramtron

不過，儘管該技術已經問世幾年，但和主流非揮發性記憶體相較，FRAM還沒有足夠的價格競爭力，原因在於其特殊製程在良率上仍舊難以掌控，目前FRAM的容量為256Kb，根據Ramtron的技術發展藍圖，明年將推出1Mb的產品，將製程推進到0.18微米，2005年再推進到0.1微米；除此之外，架構上也從1T1C的架構變成堆疊式的1T1C架構，預計2005年時成本將降到2001年時的7％左右，市場競爭力將大幅提昇。

另外，FRAM由於在高密度的發展上不甚順利，所以目前許多廠商都先由嵌入式應用切入，例如IC晶片卡，此類產品需求的記憶單元不大，但是FRAM的低耗電特性卻可以與其相得益彰，所以各類嵌入式應用或許會成為FRAM未來主要的應用市場。

《圖四　Renesas台彎分公司技術行銷部協理王裕瑞指出，目前資料型Flash產能缺口大約在30％～50％之間，此情況預計在明年Q2～Q3之間才有可能紓解。》

MRAM

MRAM（Magnetic RAM）磁性記憶體的技術原理簡單的說就是利用磁場與電阻的變化，磁電阻變化的比例越高，代表記憶資料的能力越好。事實上MRAM早在80年代就運用於軍事用途，由於許多武器皆具有輻射性，但是一般半導體式記憶體在遇到輻射時皆會失效，MRAM以磁性物質來記憶資料具有高度的抗輻射性。而Honeywell在1986年左右發表第一代的異向性磁阻（Anisotropy Magneto Resistance；AMR）技術，磁電阻變化為20％左右，讓MRAM邁入商業化應用之路，其後又陸續發現GMR（巨磁阻）與穿隧式磁組（TMR）現象可應用於MRAM中。

縱觀目前記錄媒體的物理讀寫機制可以發現當記錄密度達1000Gb/in2時只有磁的讀寫機制還存在，MRAM因為採用磁性材料為記錄媒體，在物理機制範圍下可達1000Gb/in2，又讀與寫是用與DRAM相類似的機構，因此不像需要讀寫頭的硬碟機來得複雜與精密。另外，當奈米或次奈米製程技術成熟時，積體自旋電子技術也隨之成熟，而MRAM是自旋電子科技中的一部份。

就目前所有技術的客觀條件來說，MRAM是最接近終極記憶體的技術，工研院光電所資訊存取技術組自旋科技實驗室專案經理盧志權強調，MRAM大概還需要4～5年的時間發展才會成熟，現實的條件還需要相當程度的改善，包括磁性物質對於一般半導體的生產算是種污染，所以要生產MRAM至少需要將一整條生產線規劃成MRAM專用；要發展MRAM需要兼具半導體與磁電子學的技術，只有少數廠商具備這樣的條件。

目前MRAM技術最為成熟的應該算是Motorola，該公司甫宣佈發表4Mb的MRAM樣品，明年就可以導入量產；另外，成立於美國具備台灣投資背景的聯邦半導體，早在2～3年前就已經發表1Mb的產品，不過最近並沒有進一步的消息，而且該公司利用的並不是目前多數廠商採用的穿隧式磁組架構，發展前景有待觀察。另外，包括IBM、Infineon、ST與部分日系廠商均有投入。

《圖五　工研院光電所資訊存取技術組自旋科技實驗室專案經理盧志權強調，MRAM大概還需要4～5年的時間發展才會成熟。》

OUM

OUM（Ovonic Unified Memory）是由Intel所提出的非揮發性記憶體技術，目前發展的狀況應該還停留在實驗室的階段，其原理是利用Ge、Sb、Te等硫系化合物為材質的薄膜來儲存資料，資料儲存方式類似CD-ROM，以溫度造成的相位變化來儲存資料，雖然其發展的進度較慢，投入的廠商也不多，但是由於Intel的支持，也成為市場上相當受關注的新興非揮發性記憶體技術之一。

OUM的優點在於產品體積較小、成本低、可直接覆寫與製程簡單，也就是在寫入資料的時候不用將舊有資料抹除，製程與現有半導體製程相近，惟讀寫速度與次數不如FRAM與MRAM，另外，如何穩定維持其驅動溫度也是一個技術發的重點。對於OUM目前的進度，Intel表示，今年底將會發表關於OUM技術的最新消息。

結論

除了上述的記憶體技術之外，其實還有一種名為PFRAM（聚合鐵電記憶體）又名塑膠記憶體的技術；也有廠商利用奈米晶體技術來開發下一代非揮發性記憶體，只是先前所提及的非揮發性記憶體技術，除了Flash已經是成熟的技術之外，都還需要一段發展的時間，目前也只有資源較為豐富的大廠有能力以壓寶的方式搶先卡位。

反觀於國內的廠商由於規模較小，要花費大量的資源在這種前瞻的技術上，往後又不見得可以將這些投資回收，所以多半都處在觀望與跟隨的角度，但是就另外一個觀點來說，台灣在整個高科技產業的實力並不弱，若能夠化整為零，透過策略聯盟或是政府的力量加以整合、統籌，就像我國20多年前決定發展半導體產業一樣，才能建立起我國在下一個世代記憶體產業的市場地位，持續台灣整體高科技產業的競爭力。