內存應用發(fā)展的關(guān)鍵指針:容量、速度、可靠度

電子裝置系統中，除了邏輯操作數件與感測組件（包括各類(lèi)電源控制與I/O收發(fā)控制）外，內存組件也是其中不可或缺的關(guān)鍵零組件。根據不同的應用需求，所需要的記憶體型式類(lèi)別也會(huì )有所差別，所以?xún)却娴陌l(fā)展也是五花八門(mén)，各種讀取技術(shù)、材料規格、揮發(fā)性、非揮發(fā)性，乃至于同質(zhì)、異質(zhì)的嵌入整合或系統封裝都不斷地推陳出新。
然而內存發(fā)展軌跡也可以說(shuō)只是隨著(zhù)越來(lái)越龐大的運算與感測功能而亦步亦趨，所以其應用發(fā)展的關(guān)鍵指針就會(huì )以容量、速度為重點(diǎn)來(lái)觀(guān)察。由于配合系統發(fā)展，當容量與速度越來(lái)越大、越來(lái)越快，此時(shí)各種數據交錯復雜、訊號強弱不一，且環(huán)境干擾頻繁，因此內存的可靠度也是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵指標。


無(wú)止盡的容量擴充需求
內存芯片的容量隨著(zhù)制造技術(shù)的進(jìn)步而持續增加，其中以DRAM的單顆芯片容量發(fā)展速度最快，近年來(lái)平均每年翻倍。NAND Flash的單顆芯片容量發(fā)展速度也很快，但略低于DRAM。SRAM和HBM的單顆芯片容量發(fā)展速度相對較慢。
DRAM的單顆芯片容量不斷提升，主要得益于制程技術(shù)的進(jìn)步。制程技術(shù)的進(jìn)步使得芯片上的晶體管尺寸更小，從而可以容納更多的晶體管。
NAND Flash的單顆芯片容量不斷提升，主要得益于3D NAND技術(shù)的應用。3D NAND技術(shù)將NAND Flash的儲存單元堆棧在多層中，從而提高了空間利用率。
SRAM和HBM的單顆芯片容量發(fā)展速度相對較慢，主要原因是其對性能和功耗的要求更高。SRAM需要保證高速的訪(fǎng)問(wèn)速度，HBM需要保證高帶寬和低功耗。因此，SRAM和HBM的制程技術(shù)需要更加成熟，成本也更高。
在未來(lái)，隨著(zhù)制程技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類(lèi)內存的單顆芯片容量將繼續提升。預計到2030年，DRAM的單顆芯片容量將達到128GB，NAND Flash的單顆芯片容量將達到32Tb，SRAM的單顆芯片容量將達到1Gb，HBM的單顆芯片容量將達到128GB。
內存單顆芯片容量的提升，將帶來(lái)以下好處：
1.降低內存成本：?jiǎn)晤w芯片容量越大，生產(chǎn)內存的成本就越低，從而降低內存的價(jià)格。
2.提高電子設備的性能：更大的內存容量可以使電子設備執行更復雜的任務(wù)，并存儲更多數據。
3.促進(jìn)新應用和服務(wù)的發(fā)展：更大的內存容量將使開(kāi)發(fā)人員能夠開(kāi)發(fā)新的應用和服務(wù)，例如大數據分析、人工智能等。
總體而言，內存單顆芯片容量的提升是未來(lái)內存發(fā)展的重要趨勢，將對電子設備和應用產(chǎn)生深遠的影響。


 
圖一 : 主要內存類(lèi)型在容量和速度速度方面的表現。

配合指令周期的高頻內存需求
目前DDR5的頻率可達6400 MT/s比DDR4高出約50%，主要得益于其采用了新的傳輸協(xié)議。DDR5的傳輸協(xié)議可以同時(shí)傳輸兩個(gè)資料字節，從而提高了傳輸速率。DDR6和DDR7的標準尚未正式發(fā)布，但根據預測，DDR6的單顆芯片速度將比DDR5高出約50%，達到8000 MT/s至12000 MT/s。DDR7的單顆芯片速度將比DDR6高出約50%，達到12000 MT/s至18000 MT/s。
在HBM方面，HBM2e的單顆芯片速度比HBM2高出約25%，主要得益于其工作頻率更高。HBM2e的工作頻率為1250 MHz，而HBM2的工作頻率為1000 MHz。
在未來(lái)，隨著(zhù)制程技術(shù)和傳輸協(xié)議的不斷發(fā)展，各類(lèi)內存的單顆芯片速度將繼續提升。而內存單顆芯片速度的提升，將帶來(lái)以下好處：
1.提高電子設備的性能：更高的內存速度可以使電子設備執行更復雜的任務(wù)，并處理更大的數據量。
2.降低功耗：更高的內存速度可以使內存控制器工作在更低的電壓下，從而降低功耗。
3.促進(jìn)新應用和服務(wù)的發(fā)展：更高的內存速度將使開(kāi)發(fā)人員能夠開(kāi)發(fā)新的應用和服務(wù)，例如高性能計算、人工智能等。
總體而言，內存單顆芯片速度的提升是未來(lái)內存發(fā)展的重要趨勢，將對電子設備和應用產(chǎn)生深遠的影響。


萬(wàn)無(wú)一失的可靠度需求
可靠度是評估計算機內存的一個(gè)關(guān)鍵指針，特別是在數據中心、企業(yè)級服務(wù)器和關(guān)鍵任務(wù)應用中。內存的可靠度影響到整個(gè)系統的穩定性和數據的安全性。以下是幾個(gè)主要的可靠度相關(guān)方面：
1.錯誤更正代碼（ECC）
ECC內存：專(zhuān)為檢測和修正常見(jiàn)的數據腐敗問(wèn)題設計。這對于保證數據完整性尤其重要，避免了數據損壞和系統崩潰的風(fēng)險。
2.耐用性和壽命
耐用性：尤其是在非揮發(fā)性?xún)却妫ㄈ鏢SD）中，內存單元可以承受的寫(xiě)入次數有限，因此提高耐用性是內存技術(shù)創(chuàng )新的重點(diǎn)。
壽命：隨著(zhù)時(shí)間的推移，內存組件會(huì )因為物理疲勞和其他因素而老化。技術(shù)創(chuàng )新旨在延長(cháng)內存的使用壽命。
3.數據保護和安全
數據保護：防止數據丟失和故障的技術(shù)（如RAID技術(shù)）是評估內存可靠性的一個(gè)重要方面。

安全：內存技術(shù)的發(fā)展同樣集中于增強數據安全性，如加密技術(shù)的整合，以防止數據被未授權訪(fǎng)問(wèn)。
4.環(huán)境適應性
溫度和環(huán)境影響：內存在不同的溫度和環(huán)境條件下的性能表現也是其可靠性的重要指標。對于特定應用，如航天或軍事用途，內存必須能在極端條件下可靠運作。
這些可靠性特點(diǎn)對于確保系統的整體健康和防止數據損失至關(guān)重要，并對選擇適用于特定應用的內存產(chǎn)品提供了重要的參考。


系統級內存整合方案
為了使內存應用達到更高的性能（低延遲、容量堆棧）、更低的功耗和更小的物理空間需求，系統級整合技術(shù)也是一種主要的解決方案。簡(jiǎn)單而言，系統級內存整合可分成直接將晶粒堆棧在系統單芯片（SoC）中，或利用封裝技術(shù)堆棧芯片與連接基板（SiP），或者結合以上兩種的CoWoS（3D IC）封裝技術(shù)。
不同的內存整合在一個(gè)芯片上，需要有一個(gè)設計平臺，例如鈺創(chuàng )科技開(kāi)發(fā)的異質(zhì)整合平臺MemorAiLink，提供多樣化的內存選擇和完整的內存接口 IP 服務(wù)。該平臺旨在優(yōu)化系統單芯片（SoC）的整體效能和成本，并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
所以，系統級的內存整合種類(lèi)也有非常多元的發(fā)展，主要還是看應用上的需求，在服務(wù)器、AI PC或各類(lèi)邊緣運算上的內存整合都可能采用不同的創(chuàng )新模式，來(lái)滿(mǎn)足其設計理念。在此就以目前最受矚目的CoWoS來(lái)說(shuō)明其技術(shù)應用：


 
圖二 : TSMC的一型CoWoS-R先進(jìn)封裝制程示意圖 (Source:TSMC官網(wǎng))
CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）是一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，具有以下優(yōu)勢：縮短線(xiàn)路長(cháng)度：CoWoS技術(shù)可以將多個(gè)芯片堆棧在一起，縮短芯片之間的線(xiàn)路長(cháng)度，從而提高傳輸速度和降低功耗。提高散熱效率：CoWoS技術(shù)可以利用硅中介層（Interposer）將芯片與基板隔開(kāi)，從而提高散熱效率。提高設計靈活性：CoWoS技術(shù)可以將不同類(lèi)型的芯片整合在一起，例如CPU、GPU、內存等，提高系統的整合度和靈活性。因此，CoWoS技術(shù)非常適合用于內存的整合。
目前，CoWoS技術(shù)主要應用于高性能計算（HPC）、人工智能（AI）等領(lǐng)域。但在未來(lái)，隨著(zhù)CoWoS技術(shù)的成本下降和成熟度提高，有望在更廣泛的領(lǐng)域得到應用，包括消費類(lèi)電子產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等?？傮w而言，CoWoS技術(shù)有望成為未來(lái)內存整合的主要技術(shù)之一。隨著(zhù)CoWoS技術(shù)的不斷發(fā)展，內存將更加高效、可靠、低功耗，并在更廣泛的領(lǐng)域得到應用。

結語(yǔ)
內存的種類(lèi)繁多，為了特定系統的實(shí)踐應用，不外乎容量、速度與可靠度三項指標，這三項指標理想上必須做到互相平衡的狀態(tài)，也就會(huì )是系統運作上的最佳內存解決方案。至于低功耗與低延遲的要求，這是基本的環(huán)保與質(zhì)量概念，當然是做到相對越低越好。以上種種指標，促成了揮發(fā)性或非揮發(fā)性?xún)却娌粩鄤?chuàng )新且多元發(fā)展，也暗示了很難有單一種類(lèi)內存來(lái)通吃市場(chǎng)的可能性。