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【拓墣观点】新世代记忆体是何方神圣,让英特尔、三星、台积电纷纷投入一较高下

2020-06-13 791浏览量
【拓墣观点】新世代记忆体是何方神圣,让英特尔、三星、台积电纷纷投入一较高下

曾投入记忆体研发生产,但却不敌成本高昂而退出记忆体市场的台积电,竟然再度投入记忆体产业。是什幺样的技术,不但吸引台积电再次投入这块市场,更让三星、英特尔、格罗方德都已经摩拳擦掌投入,準备好一较高下了?

这个让半导体巨头纷纷投入的技术就是被称为新世代记忆体的 MRAM 和 RRAM。

MRAM 和 RRAM 的特性为何,与 DRAM、NAND(快闪记忆体)相比,又有什幺样的效能与成本优势?让我们从 MRAM 和 RRAM 两项技术看起。

什幺是新世代记忆体?【拓墣观点】新世代记忆体是何方神圣,让英特尔、三星、台积电纷纷投入一较高下

MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory,磁阻式随机存取记忆体)是一种非挥发性记忆体技术,也就是当电流关掉,所储存的资料并不会消失的记忆体。它自 1990 年代开始发展,这项技术在学理上的存取速度接近 SRAM,具快闪记忆体的非挥发性特性,在容量密度及使用寿命上也不输给 DRAM,平均能耗远低于 DRAM,未来极具成为真正通用型记忆体潜力。

而 RRAM(Resistive random-access memory,可变电阻式记忆体)同样是一种新型的非挥发性记忆体,其优点在于消耗电力较 NAND 低,且写入资讯速度比 NAND 快闪记忆体快了 1 万倍。

从阶层式记忆体的金字塔图来看,SRAM 位于金字塔尖端,为最高阶、速度最快,成本也最高的产品。其次为主记忆体的DRAM,MRAM 仅次于 DRAM,而 RRAM 则紧接其后,在 RRAM 之下的是 NAND,从此图可以看出 MRAM 与 RRAM 的市场定位也正是介于 DRAM 与 NAND 之间。

【拓墣观点】新世代记忆体是何方神圣,让英特尔、三星、台积电纷纷投入一较高下

高速运算、资料中心、物联网激发新世代记忆体高度需求

事实上,MRAM 与 RRAM 技术并非近年来的产物,早在 1990 年代,就有厂商开始投入研发,而促使新世代记忆体发展在近年来露出曙光的原因,正是进入高速运算时代,记忆体技术演进速度出现跟不上系统效能演进速度所导致。

随着数据的产生速度不断加快,对记忆体的需求也飞速成长。从对 DRAM 的高速运算需求来看,在高速运算下,记忆体(DRAM)与 CPU 间的频宽,渐成为运算瓶颈,为解决上述瓶颈,HBM、TSV、offload 运算加速器成为产业研发的重心。此外,DRAM 也面临了摩尔定律发展下去的限制,说明了为什幺半导体巨擘们要积极投入新世代记忆体研发生产的原因。

另一方面,SSD 资料中心存储的高速 IOPS 需求也是业界的一大焦点,除了资料中心的高速 IOPS 需求外,信赖度、能耗也是重要的指标,NAND 本身走到 TLC 虽然在价格上有优势,但却面临产品信赖度恶化的状况,目前以 Page 式的写入方式,让写入成为 IOPS 的主要瓶颈。此外,在资料传输速度要求越来越高下,为了保证资料的正确性,SSD Controller 须内建高速的 Buffer,然而不论是用 DRAM 或是 SRAM 均需要额外提供电源以保障供电异常下的正常发展。在这个前提下,新世代记忆体也成为产业寄望能改善 NAND 问题的关键技术。

除了高速运算与资料中心的储存需求以外,物联网物端需要的非挥发性记忆体,也就是即时资料储存需求,牵涉到物联网需要低能耗、资料耐久度高、每次写入或存储的资料单位小等层面。而这三项特色导致 NAND 的不合适,目前更多的解决方案是採用嵌入式记忆体(Embedded Memory)。不过,就目前嵌入式记忆体的发展来看,其製作流程、占用面积均仍有持续进步的空间,因此也成为新世代记忆体技术的另一个切入的面向。

嵌入式产品效能更胜一筹,台积电也没缺席

儘管新世代记忆体未来有望取代部分 DRAM 与 NAND 的市场,而成为业界关注的明日之星,然而,台积电重新跨进记忆体产业,他着眼的并非将记忆体做为单独的产品贩售,而是锁定嵌入式记忆体市场。

台积电锁定的嵌入式记忆体产品,可以说是新世代记忆体另一个改变产业形貌的重要路线。从目前的应用上来看,在工业、车用 MCU 或是物联网 IC 的应用中,新世代记忆体有机会透过其能耗表现佳、占用面积小、发挥发性、读写速度快、操作电压低、增加的製程複杂度低等优势,进一步增加其在嵌入式市场的渗透率。

此外,嵌入式产品在效能表现上,也可望高于过去的 off-chip 产品,对于像是台积电、联电、格罗方德等晶圆代工厂来说,提供嵌入式记忆体产品,除能扩张产品线与提供客户更多的支持外,并能做为未来逻辑 IC 与记忆体在系统架构上进一步融合的前置布局。然而,对于三星等既有记忆体厂商而言,新世代记忆体的发展无疑带来发展的契机,但能预期的是,未来的竞争态势也将更为激烈。


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