工業(yè)儲(chǔ)存技術(shù)再進(jìn)化 完美內(nèi)存MRAM現(xiàn)身

近年來，半導(dǎo)體先進(jìn)制程微縮趨勢帶動(dòng)下，加上AI人工智能、5G與AIoT等科技加速推進(jìn)，3C設(shè)備、智慧家電、智慧汽車、智能城市到國防航天等領(lǐng)域都可以應(yīng)用大量芯片記錄海量數(shù)據(jù)。

內(nèi)存是所有微控制器嵌入式系統(tǒng)的主要組件，閃存（Flash）儲(chǔ)存技術(shù)早已成為工控設(shè)備的主流配備。近年來，半導(dǎo)體先進(jìn)制程微縮趨勢帶動(dòng)下，加上AI人工智能、5G與AIoT等科技加速推進(jìn)，3C設(shè)備、智慧家電、智慧汽車、智能城市到國防航天等領(lǐng)域都可以應(yīng)用大量芯片記錄海量數(shù)據(jù)。新一代嵌入式內(nèi)存具有小體積、大容量、高效能等特性，可以滿足龐大運(yùn)算需求，帶動(dòng)前瞻內(nèi)存研發(fā)能量。

新興內(nèi)存出線 MRAM最受業(yè)界期待

內(nèi)存大分嵌入式和獨(dú)立式NVM。Yole Developpement預(yù)測，2020-2026年間，整體新興非揮發(fā)性內(nèi)存(NVM)市場的年復(fù)合成長率約為44%，隨著新興嵌入式NVM技術(shù)顯著成熟，預(yù)估2026年eMRAM市場規(guī)模為17億美元，約占整體新興eNVM市場的76%。獨(dú)立式NVM市場預(yù)計(jì)2026年達(dá)33億美元規(guī)模，至于獨(dú)立式PCM市場在2026年可望成長達(dá)26億美元的規(guī)模，占整體獨(dú)立式內(nèi)存市場的78%。內(nèi)存技術(shù)研發(fā)成為兵家必爭之地。

目前內(nèi)存市場仍以動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(DRAM)與儲(chǔ)存型閃存(NAND Flash)為主流，隨著磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存(MRAM)逐漸成為市場關(guān)注焦點(diǎn)，eMRAM市場快速成長，主要半導(dǎo)體業(yè)者如臺(tái)積電(TSMC)、英特爾(Intel)、三星(Samsung)、格芯(GlobalFoundries)、聯(lián)華電子(UMC)等相繼投入研發(fā)。

另一方面，隨著半導(dǎo)體微縮制程技術(shù)的突破，摩爾定律不斷成功被挑戰(zhàn)，DRAM與NAND Flash也面臨微縮挑戰(zhàn)，近幾年，DRAM已接近微縮極限，而NAND Flash則走向3D轉(zhuǎn)型。除了體積愈來愈小，內(nèi)存也面臨到高速運(yùn)算等技術(shù)障礙。如今的儲(chǔ)存解決方案必須具備高速、低耗電，斷電后仍可保持?jǐn)?shù)據(jù)等特性，才能達(dá)到「三好」標(biāo)準(zhǔn)：成本更佳、速度更快、效能更好。新興內(nèi)存走在「三好」路上，如鐵電隨機(jī)存取內(nèi)存 (FRAM)、相變化隨機(jī)存取內(nèi)存(PRAM)、磁阻式隨存取內(nèi)存(MRAM) 及可變電阻式隨機(jī)存取內(nèi)存 (RRAM) 等，其中，MRAM 最受業(yè)界期待。

若與DRAM面積2,048 nm2、SRAM面積21,000 nm2相比，MRAM的面積僅400 nm2，不用微縮已具有極佳的尺寸優(yōu)勢。工研院電光所副所長駱韋仲指出，新興內(nèi)存的材料、結(jié)構(gòu)不同，多半維持單一特性，很難趨近完美特性。磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存（MRAM）具有可微縮至22奈米以下的潛力，擁有高讀寫速度、低耗電，斷電后仍可保持?jǐn)?shù)據(jù)等特性，成為趨近于「完美內(nèi)存」的新興內(nèi)存代表，未來可以整合成先進(jìn)制程嵌入式內(nèi)存，廣泛應(yīng)用于AI人工智能、車用電子、高效能運(yùn)算芯片等領(lǐng)域，具有極佳的發(fā)展前景。


路是無限寬廣 嵌入式與獨(dú)立式通用
非揮發(fā)性內(nèi)存MRAM是利用高敏感度磁電阻材料所制成，儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)即使面臨斷電也不會(huì)消失，而且耗能較低，讀寫速度快，可以媲美靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存 (SRAM)，又比Flash速度快上百千倍。值得一提的是，MRAM的記憶容量媲美DRAM，同時(shí)具有處理與儲(chǔ)存信息等功能，而且可以長時(shí)間保存數(shù)據(jù)，適合應(yīng)用于高性能存儲(chǔ)場域。

由于微縮制程已成業(yè)界常態(tài)，DRAM制程多停滯在1X奈米階段，F(xiàn)lash在20奈米之下已轉(zhuǎn)型3D制程，與DRAM、SRAM及NAND Flash等內(nèi)存縮無可縮的窘境相比，嬌小的MRAM有相對(duì)大的調(diào)整優(yōu)勢，制程可達(dá)10奈米以下。至于SRAM則有成本與能量損耗的問題需克服。

綜合來說，MRAM集Flash非揮發(fā)性技術(shù)、SRAM快速讀寫、DRAM高集積度等特性，堪稱「完美內(nèi)存」，甚至可能替代SRAM，未來發(fā)展備受業(yè)界期待。因此，全球IDM大廠及晶圓代工廠相繼投入MRAM研發(fā)，近5年來已經(jīng)開始應(yīng)用于產(chǎn)品之上，有希望成為嵌入式或獨(dú)立式通用的內(nèi)存。

工研院電光所副所長駱韋仲進(jìn)一步說明，MRAM與前述DRAM、NAND Flash及SRAM等內(nèi)存不同，基本結(jié)構(gòu)是磁性隧道結(jié)，研發(fā)難度相當(dāng)高，主要可分為傳統(tǒng)MRAM及自旋轉(zhuǎn)移矩磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存(STT-MRAM)，MRAM以磁場驅(qū)動(dòng)， STT-MRAM采自旋極化電流驅(qū)動(dòng)。各家半導(dǎo)體大廠近年來投入STT-MRAM研發(fā)，產(chǎn)生愈來愈多嵌入式解決方案，這些解決方案可以取代Flash、EEPROM及 SRAM。如三星采28奈米完全空乏型硅絕緣層金氧半晶體管(FD-SOI)制程，格芯的制程已推進(jìn)至22 奈米；英特爾采用鰭式場效晶體管(FinFET)技術(shù)，推進(jìn)至22奈米制程。

臺(tái)積電早于2017年5月發(fā)表自行研發(fā)多年的嵌入式磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存（eMRAM）及嵌入式電阻式內(nèi)存（eRRAM）技術(shù)，采用先進(jìn)的22奈米制程。臺(tái)積電也與臺(tái)灣工研院共同開發(fā)22奈米嵌入式STT-MRAM，采用超低漏電互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)，技術(shù)驗(yàn)證已完成并進(jìn)入量產(chǎn)，朝16奈米STT-MRAM 發(fā)展，可切入下世代嵌入式內(nèi)存MCU、車用電子組件、物聯(lián)網(wǎng)及AI等領(lǐng)域。

今年6月，工研院與臺(tái)積電正式合作開發(fā)自旋軌道扭矩磁性內(nèi)存(SOT-MRAM）數(shù)組芯片。SOT-MRAM(Spin Orbit Torque Magnetoresistive Random Access Memory)技術(shù)能在低電壓、電流下，達(dá)到0.4奈秒的高速寫入，同時(shí)具備7兆次耐受度，比歐洲最大半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)—比利時(shí)微電子研究中心高出百倍之多，同時(shí)具有超過10年的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力。相關(guān)技術(shù)未來可以整合成先進(jìn)制程嵌入式內(nèi)存，投入AI人工智能、車用電子、高效能運(yùn)算芯片等領(lǐng)域。



 
圖2 : 工研院與臺(tái)積電共同開發(fā)自旋軌道扭矩磁性內(nèi)存（SOT-MRAM）數(shù)組芯片。(source：工研院)

除了與業(yè)界合作，工研院也與陽明交大合作研發(fā)工作溫度橫跨近400度的磁性內(nèi)存技術(shù)，相關(guān)技術(shù)發(fā)表于國際超大規(guī)模集成電路技術(shù)研討會(huì)。

駱韋仲表示，新興磁性內(nèi)存高效能運(yùn)作技術(shù)可以提高內(nèi)存寫入速度、縮短延遲、降低寫入電流與增高使用次數(shù)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，可以在127度到零下269度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定、高效能的數(shù)據(jù)存取能力，橫跨400度溫度的穩(wěn)定存取能力，代表未來在量子計(jì)算機(jī)、航天領(lǐng)域等前瞻應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)方面極具發(fā)展?jié)摿?，有助?qiáng)化臺(tái)灣在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的世界地位。

短期內(nèi)，DRAM與NAND Flash仍將居于內(nèi)存市場主導(dǎo)地位，但隨著三星、臺(tái)積電等大廠先后投入MRAM內(nèi)存產(chǎn)品研發(fā)，有助內(nèi)存技術(shù)更新，一旦MRAM成本逐步下降，勢必提升市場普及率，成為未來新主流。

儲(chǔ)存解決方案SOFA
儲(chǔ)存技術(shù)與前述內(nèi)存技術(shù)優(yōu)劣息息相關(guān)。過去，工控系統(tǒng)的儲(chǔ)存裝置容量不一定要大，但要夠穩(wěn)定，否則故障發(fā)生時(shí)，有可能導(dǎo)致整體系統(tǒng)停擺，甚至生產(chǎn)線停機(jī)，損失重大。近幾年隨著工業(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用快速發(fā)展，儲(chǔ)存技術(shù)也漸趨多元，除了需要大量儲(chǔ)存、機(jī)房環(huán)境較為理想的安全監(jiān)控外，HDD硬盤較少受到青睞。

工研院資通所組長卓傳育指出，以儲(chǔ)存設(shè)備來說，仍以軟件為核心，重視儲(chǔ)存系統(tǒng)快速擴(kuò)充、高彈性儲(chǔ)存架構(gòu)及高儲(chǔ)存/傳輸效率等面向。先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)使用flash內(nèi)存，其他功能多半是記憶與及時(shí)運(yùn)算，相關(guān)的高階應(yīng)用多與云端服務(wù)業(yè)者有關(guān)，如Google、微軟(Microsoft)、亞馬遜(Amazon)等業(yè)者使用的存儲(chǔ)技術(shù)通常較為高規(guī)，但高科技存儲(chǔ)設(shè)備并不是很普及。從制造業(yè)來看，如影音、照片等數(shù)據(jù)比較需要快速存取與傳輸，不夠快就會(huì)有延遲問題，不過，發(fā)展較快速的企業(yè)可能透過開源技術(shù)改進(jìn)既有設(shè)備與存儲(chǔ)技術(shù)，調(diào)整儲(chǔ)存架構(gòu)、設(shè)計(jì)就可以符合使用需求，或者也有業(yè)者采購高技術(shù)storge解決問題。

隨著云端運(yùn)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）及5G技術(shù)的加入與催化，存儲(chǔ)需求不再限于Google等云端業(yè)者。由于工控設(shè)備必須因應(yīng)環(huán)境與功能需求做出差異化設(shè)計(jì)，儲(chǔ)存裝置也必須貼合需求，除了客制化，小型化也成為工業(yè)儲(chǔ)存的趨勢之一。固態(tài)硬盤（SSD）具有體積小、效率高、低噪音等優(yōu)勢，成為硬盤市場的新主流。

近年來，工研院將研發(fā)能量聚焦于云端儲(chǔ)存同步系統(tǒng)，并透過內(nèi)存式數(shù)據(jù)處理技術(shù)，讓檔案處理速度加快為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的八倍。以工研院研發(fā)的全快閃儲(chǔ)存數(shù)組管理技術(shù)（Software Orchestrated Flash Array；SOFA）為例，主要功能在于聚合一臺(tái)服務(wù)器上所有的快閃磁盤空間，以及讀寫能力，匯聚成一個(gè)擁有大容量且速度極快的儲(chǔ)存池，可于一般通用硬件上提供超過100萬次輸出入（IOPS）的數(shù)據(jù)訪問速度。用戶可以單顆磁盤使用儲(chǔ)存池，或透過虛擬磁盤管理功能，依照用戶需求建構(gòu)虛擬磁盤，不同用戶或不同應(yīng)用程序都可以共享該儲(chǔ)存池。

 
圖3 : 全快閃儲(chǔ)存數(shù)組管理技術(shù)（SOFA）。(Source：工研院)

SOFA內(nèi)建RAID 5/6及快照的保護(hù)功能，有助數(shù)據(jù)保護(hù)，在提供保護(hù)的同時(shí)，仍舊維持一百萬IOPS的效能，同時(shí)達(dá)到軟硬件所需CPU資源分配優(yōu)化及自動(dòng)化分配。此外，SOFA還搭配背景壓縮及去重復(fù)等功能以節(jié)省空間，適合需要高速讀寫效能的應(yīng)用程序，如數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序（MySQL，Oracle）、高效能運(yùn)算（HPC）、虛擬桌面（VDI）等。

隨著AI人工智能與企業(yè)云端儲(chǔ)存市場漸趨成熟，SOFA提供另一種管理閃存磁盤陣列的軟件解決方案，可以在一般硬件平臺(tái)上，透過網(wǎng)絡(luò)對(duì)外提供高效能儲(chǔ)存服務(wù)。閃存磁盤陣列服務(wù)器可藉由SOFA提升存取效能，在完善配置條件下，服務(wù)器透過網(wǎng)絡(luò)對(duì)外提供4KB區(qū)塊的隨機(jī)訪問速度，支持以RAID5集合磁盤陣列，并突破傳統(tǒng)RAID5的效能瓶頸，提升10倍的讀寫效能，透過跨磁盤的平均抹寫技術(shù)(Global Wear Leveling)，可以延長整個(gè)磁盤陣列的平均壽命達(dá)2倍。



 
圖4 : 超高速長效全快閃儲(chǔ)存數(shù)組管理技術(shù)可于一般通用硬件上提供超過1百萬IOPS的數(shù)據(jù)訪問速度。(source：工研院)

中國臺(tái)灣優(yōu)勢：從邏輯制程切入
在內(nèi)存與工業(yè)儲(chǔ)存技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域中，仍是全球半導(dǎo)體大廠的天下，除了臺(tái)積電、聯(lián)電、旺宏等少數(shù)電子業(yè)者，中國臺(tái)灣業(yè)者可以切入的領(lǐng)域不多。不過，工研院電光所副所長駱韋仲認(rèn)為，嵌入式內(nèi)存與邏輯制程有關(guān)，而中國臺(tái)灣在邏輯制程方面居于領(lǐng)先地位，可以切入與邏輯兼容或具有共通性的制程，找尋邏輯制程可以微縮的利基，或者從調(diào)整架構(gòu)、材料、成分做起，如果可以做出特別的嵌入式內(nèi)存，對(duì)中國臺(tái)灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)地位來說，加分很大。

內(nèi)存有很多不同架構(gòu)，大家都在尋找「最完美內(nèi)存」，現(xiàn)在已經(jīng)有前述幾種新興內(nèi)存在某些領(lǐng)域量產(chǎn)，但還需要進(jìn)一步探勘，駱韋仲認(rèn)為，中國臺(tái)灣優(yōu)勢不只有邏輯，還有內(nèi)存、封裝，先進(jìn)制程也很成功，「未來不會(huì)只針對(duì)單一組件，而是強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)整合概念，這種系統(tǒng)層級(jí)的創(chuàng)新是臺(tái)灣很大的機(jī)會(huì)?！?br/>