工業(yè)儲存技術(shù)再進(jìn)化 完美內存MRAM現身

近年來(lái)，半導體先進(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設備、智慧家電、智慧汽車(chē)、智能城市到國防航天等領(lǐng)域都可以應用大量芯片記錄海量數據。

內存是所有微控制器嵌入式系統的主要組件，閃存（Flash）儲存技術(shù)早已成為工控設備的主流配備。近年來(lái)，半導體先進(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設備、智慧家電、智慧汽車(chē)、智能城市到國防航天等領(lǐng)域都可以應用大量芯片記錄海量數據。新一代嵌入式內存具有小體積、大容量、高效能等特性，可以滿(mǎn)足龐大運算需求，帶動(dòng)前瞻內存研發(fā)能量。

新興內存出線(xiàn) MRAM最受業(yè)界期待

內存大分嵌入式和獨立式NVM。Yole Developpement預測，2020-2026年間，整體新興非揮發(fā)性?xún)却?NVM)市場(chǎng)的年復合成長(cháng)率約為44%，隨著(zhù)新興嵌入式NVM技術(shù)顯著(zhù)成熟，預估2026年eMRAM市場(chǎng)規模為17億美元，約占整體新興eNVM市場(chǎng)的76%。獨立式NVM市場(chǎng)預計2026年達33億美元規模，至于獨立式PCM市場(chǎng)在2026年可望成長(cháng)達26億美元的規模，占整體獨立式內存市場(chǎng)的78%。內存技術(shù)研發(fā)成為兵家必爭之地。

目前內存市場(chǎng)仍以動(dòng)態(tài)隨機存取內存(DRAM)與儲存型閃存(NAND Flash)為主流，隨著(zhù)磁阻式隨機存取內存(MRAM)逐漸成為市場(chǎng)關(guān)注焦點(diǎn)，eMRAM市場(chǎng)快速成長(cháng)，主要半導體業(yè)者如臺積電(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(zhù)半導體微縮制程技術(shù)的突破，摩爾定律不斷成功被挑戰，DRAM與NAND Flash也面臨微縮挑戰，近幾年，DRAM已接近微縮極限，而NAND Flash則走向3D轉型。除了體積愈來(lái)愈小，內存也面臨到高速運算等技術(shù)障礙。如今的儲存解決方案必須具備高速、低耗電，斷電后仍可保持數據等特性，才能達到「三好」標準：成本更佳、速度更快、效能更好。新興內存走在「三好」路上，如鐵電隨機存取內存 (FRAM)、相變化隨機存取內存(PRAM)、磁阻式隨存取內存(MRAM) 及可變電阻式隨機存取內存 (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(cháng)駱韋仲指出，新興內存的材料、結構不同，多半維持單一特性，很難趨近完美特性。磁阻式隨機存取內存（MRAM）具有可微縮至22奈米以下的潛力，擁有高讀寫(xiě)速度、低耗電，斷電后仍可保持數據等特性，成為趨近于「完美內存」的新興內存代表，未來(lái)可以整合成先進(jìn)制程嵌入式內存，廣泛應用于A(yíng)I人工智能、車(chē)用電子、高效能運算芯片等領(lǐng)域，具有極佳的發(fā)展前景。


路是無(wú)限寬廣 嵌入式與獨立式通用
非揮發(fā)性?xún)却鍹RAM是利用高敏感度磁電阻材料所制成，儲存的數據即使面臨斷電也不會(huì )消失，而且耗能較低，讀寫(xiě)速度快，可以媲美靜態(tài)隨機存取內存 (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)具有處理與儲存信息等功能，而且可以長(cháng)時(shí)間保存數據，適合應用于高性能存儲場(chǎng)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，Flash在20奈米之下已轉型3D制程，與DRAM、SRAM及NAND Flash等內存縮無(wú)可縮的窘境相比，嬌小的MRAM有相對大的調整優(yōu)勢，制程可達10奈米以下。至于SRAM則有成本與能量損耗的問(wèn)題需克服。

綜合來(lái)說(shuō)，MRAM集Flash非揮發(fā)性技術(shù)、SRAM快速讀寫(xiě)、DRAM高集積度等特性，堪稱(chēng)「完美內存」，甚至可能替代SRAM，未來(lái)發(fā)展備受業(yè)界期待。因此，全球IDM大廠(chǎng)及晶圓代工廠(chǎng)相繼投入MRAM研發(fā)，近5年來(lái)已經(jīng)開(kāi)始應用于產(chǎn)品之上，有希望成為嵌入式或獨立式通用的內存。

工研院電光所副所長(cháng)駱韋仲進(jìn)一步說(shuō)明，MRAM與前述DRAM、NAND Flash及SRAM等內存不同，基本結構是磁性隧道結，研發(fā)難度相當高，主要可分為傳統MRAM及自旋轉移矩磁阻式隨機存取內存(STT-MRAM)，MRAM以磁場(chǎng)驅動(dòng)， STT-MRAM采自旋極化電流驅動(dòng)。各家半導體大廠(chǎng)近年來(lái)投入STT-MRAM研發(fā)，產(chǎn)生愈來(lái)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(chǎng)效晶體管(FinFET)技術(shù)，推進(jìn)至22奈米制程。

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

今年6月，工研院與臺積電正式合作開(kāi)發(fā)自旋軌道扭矩磁性?xún)却?SOT-MRAM）數組芯片。SOT-MRAM(Spin Orbit Torque Magnetoresistive Random Access Memory)技術(shù)能在低電壓、電流下，達到0.4奈秒的高速寫(xiě)入，同時(shí)具備7兆次耐受度，比歐洲最大半導體研究機構—比利時(shí)微電子研究中心高出百倍之多，同時(shí)具有超過(guò)10年的數據儲存能力。相關(guān)技術(shù)未來(lái)可以整合成先進(jìn)制程嵌入式內存，投入AI人工智能、車(chē)用電子、高效能運算芯片等領(lǐng)域。



 
圖2 : 工研院與臺積電共同開(kāi)發(fā)自旋軌道扭矩磁性?xún)却妫⊿OT-MRAM）數組芯片。(source：工研院)

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

駱韋仲表示，新興磁性?xún)却娓咝苓\作技術(shù)可以提高內存寫(xiě)入速度、縮短延遲、降低寫(xiě)入電流與增高使用次數，實(shí)驗證實(shí)，可以在127度到零下269度范圍內具有穩定、高效能的數據存取能力，橫跨400度溫度的穩定存取能力，代表未來(lái)在量子計算機、航天領(lǐng)域等前瞻應用與產(chǎn)業(yè)方面極具發(fā)展潛力，有助強化臺灣在半導體產(chǎn)業(yè)的世界地位。

短期內，DRAM與NAND Flash仍將居于內存市場(chǎng)主導地位，但隨著(zhù)三星、臺積電等大廠(chǎng)先后投入MRAM內存產(chǎn)品研發(fā)，有助內存技術(shù)更新，一旦MRAM成本逐步下降，勢必提升市場(chǎng)普及率，成為未來(lái)新主流。

儲存解決方案SOFA
儲存技術(shù)與前述內存技術(shù)優(yōu)劣息息相關(guān)。過(guò)去，工控系統的儲存裝置容量不一定要大，但要夠穩定，否則故障發(fā)生時(shí)，有可能導致整體系統停擺，甚至生產(chǎn)線(xiàn)停機，損失重大。近幾年隨著(zhù)工業(yè)計算機的應用快速發(fā)展，儲存技術(shù)也漸趨多元，除了需要大量?jì)Υ?、機房環(huán)境較為理想的安全監控外，HDD硬盤(pán)較少受到青睞。

工研院資通所組長(cháng)卓傳育指出，以?xún)Υ嬖O備來(lái)說(shuō)，仍以軟件為核心，重視儲存系統快速擴充、高彈性?xún)Υ婕軜嫾案邇Υ?傳輸效率等面向。先進(jìn)的存儲技術(shù)使用flash內存，其他功能多半是記憶與及時(shí)運算，相關(guān)的高階應用多與云端服務(wù)業(yè)者有關(guān)，如Google、微軟(Microsoft)、亞馬遜(Amazon)等業(yè)者使用的存儲技術(shù)通常較為高規，但高科技存儲設備并不是很普及。從制造業(yè)來(lái)看，如影音、照片等數據比較需要快速存取與傳輸，不夠快就會(huì )有延遲問(wèn)題，不過(guò)，發(fā)展較快速的企業(yè)可能透過(guò)開(kāi)源技術(shù)改進(jìn)既有設備與存儲技術(shù)，調整儲存架構、設計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(wèn)題。

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

近年來(lái)，工研院將研發(fā)能量聚焦于云端儲存同步系統，并透過(guò)內存式數據處理技術(shù)，讓檔案處理速度加快為傳統數據庫的八倍。以工研院研發(fā)的全快閃儲存數組管理技術(shù)（Software Orchestrated Flash Array；SOFA）為例，主要功能在于聚合一臺服務(wù)器上所有的快閃磁盤(pán)空間，以及讀寫(xiě)能力，匯聚成一個(gè)擁有大容量且速度極快的儲存池，可于一般通用硬件上提供超過(guò)100萬(wàn)次輸出入（IOPS）的數據訪(fǎng)問(wèn)速度。用戶(hù)可以單顆磁盤(pán)使用儲存池，或透過(guò)虛擬磁盤(pán)管理功能，依照用戶(hù)需求建構虛擬磁盤(pán)，不同用戶(hù)或不同應用程序都可以共享該儲存池。

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

SOFA內建RAID 5/6及快照的保護功能，有助數據保護，在提供保護的同時(shí)，仍舊維持一百萬(wàn)IOPS的效能，同時(shí)達到軟硬件所需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等功能以節省空間，適合需要高速讀寫(xiě)效能的應用程序，如數據庫應用程序（MySQL，Oracle）、高效能運算（HPC）、虛擬桌面（VDI）等。

隨著(zhù)AI人工智能與企業(yè)云端儲存市場(chǎng)漸趨成熟，SOFA提供另一種管理閃存磁盤(pán)陣列的軟件解決方案，可以在一般硬件平臺上，透過(guò)網(wǎng)絡(luò )對外提供高效能儲存服務(wù)。閃存磁盤(pán)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(guò)網(wǎng)絡(luò )對外提供4KB區塊的隨機訪(fǎng)問(wèn)速度，支持以RAID5集合磁盤(pán)陣列，并突破傳統RAID5的效能瓶頸，提升10倍的讀寫(xiě)效能，透過(guò)跨磁盤(pán)的平均抹寫(xiě)技術(shù)(Global Wear Leveling)，可以延長(cháng)整個(gè)磁盤(pán)陣列的平均壽命達2倍。



 
圖4 : 超高速長(cháng)效全快閃儲存數組管理技術(shù)可于一般通用硬件上提供超過(guò)1百萬(wàn)IOPS的數據訪(fǎng)問(wèn)速度。(source：工研院)

中國臺灣優(yōu)勢：從邏輯制程切入
在內存與工業(yè)儲存技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域中，仍是全球半導體大廠(chǎng)的天下，除了臺積電、聯(lián)電、旺宏等少數電子業(yè)者，中國臺灣業(yè)者可以切入的領(lǐng)域不多。不過(guò)，工研院電光所副所長(cháng)駱韋仲認為，嵌入式內存與邏輯制程有關(guān)，而中國臺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，或者從調整架構、材料、成分做起，如果可以做出特別的嵌入式內存，對中國臺灣半導體產(chǎn)業(yè)地位來(lái)說(shuō)，加分很大。

內存有很多不同架構，大家都在尋找「最完美內存」，現在已經(jīng)有前述幾種新興內存在某些領(lǐng)域量產(chǎn)，但還需要進(jìn)一步探勘，駱韋仲認為，中國臺灣優(yōu)勢不只有邏輯，還有內存、封裝，先進(jìn)制程也很成功，「未來(lái)不會(huì )只針對單一組件，而是強調系統整合概念，這種系統層級的創(chuàng )新是臺灣很大的機會(huì )?！?br/>