次世代嵌入式內(nèi)存十年沉潛 終于到了大放異彩之時(shí)

臺(tái)積電的eMRAM（嵌入式磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存）和eRRAM（嵌入式電阻式內(nèi)存）技術(shù)計(jì)劃將在2018和2019年進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)，號(hào)稱次世代內(nèi)存的產(chǎn)品，終于在十多年的沉潛后大放異彩，物聯(lián)網(wǎng)與AI將再次推升次世代內(nèi)存需求，給我們帶來更具殺傷力的嵌入式內(nèi)存技術(shù)。

也該是時(shí)候了，經(jīng)過十多年的沉潛，這些號(hào)稱次世代內(nèi)存的產(chǎn)品，總算是找到它們可以立足的市場(chǎng)，包含F(xiàn)RAM（鐵電內(nèi)存），MRAM（磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存）和RRAM（可變電阻式內(nèi)存），在物聯(lián)網(wǎng)與智能應(yīng)用的推動(dòng)下， 開始找到利基市場(chǎng)。

率先引爆話題的，還是臺(tái)積電

2017年5月，臺(tái)積電技術(shù)長孫元成首次在其技術(shù)論壇上，發(fā)表了自行研發(fā)多年的eMRAM（嵌入式磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存）和eRRAM（嵌入式電阻式內(nèi)存）技術(shù)，分別預(yù)定在2018和2019年進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)， 且將采用先進(jìn)的22奈米制程。

研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的目標(biāo)很清楚，就是要達(dá)成更高的效能、更低的電耗，以及更小的體積，以滿足未來智能化與萬物聯(lián)網(wǎng)的全方面運(yùn)算需求。 目前包含三星與英特爾都在研發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品與制程技術(shù)。

通常，一個(gè)一般的嵌入式設(shè)計(jì)，其實(shí)用不上嵌入式內(nèi)存的技術(shù)，只需要常規(guī)的NOR和NAND Flash內(nèi)存，搭配DRAM即可。 若是對(duì)于系統(tǒng)的體積與運(yùn)作效能有更高的需求，例如智能型手機(jī)和高階的消費(fèi)性電子，也能透過使用MCP（Multi Chip Package;多芯片封裝）技術(shù)，將為NOR和DRAM，或者NAND和DRAM封裝在一個(gè)芯片中來達(dá)成。

若有較高的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存需求，則可使用eMMC（embedded Multi Media Card）嵌入式內(nèi)存規(guī)范技術(shù)，運(yùn)用MCP制程將NAND Flash與控制芯片整合在一個(gè)BGA封裝里，再搭配DRAM來設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

更先進(jìn)的系統(tǒng)，則可使用eMCP（embedded Multi Chip Package）嵌入式多芯片封裝技術(shù)，把NAND Flash與DRAM，以及NAND Flash控制芯片封裝在一個(gè)芯片上，不僅進(jìn)一步簡化電路設(shè)計(jì)， 降低主系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，同時(shí)也保留了高儲(chǔ)存容量的可能性。

然而，隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬越來越大，智能應(yīng)用衍生的數(shù)據(jù)運(yùn)算與儲(chǔ)存需求也水漲船高，嵌入式系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)存封裝技術(shù)的需求也扶搖直上，并尋求效能更好的內(nèi)存解決方案。 此時(shí)，新一代的嵌入式內(nèi)存技術(shù)與次世代非揮發(fā)性內(nèi)存的結(jié)合就成了最佳解決方案。

物聯(lián)網(wǎng)與AI推升次世代內(nèi)存需求

微型化，固然是物聯(lián)網(wǎng)裝置的一個(gè)主要設(shè)計(jì)需求，但低功耗與高耐用度也是必須考慮的兩大關(guān)鍵，尤其是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一旦完成安裝，運(yùn)行時(shí)間可能長達(dá)數(shù)年，特別是工業(yè)和公共設(shè)備的領(lǐng)域上。

另一方面，隨著人工智能的發(fā)展，智能化的需求開始涌現(xiàn)在各個(gè)產(chǎn)品應(yīng)用上，包含汽車、醫(yī)療與金融業(yè)，對(duì)運(yùn)算效能的需求也倍速增加，因此產(chǎn)業(yè)也開始尋求能夠匹配高速運(yùn)算，同時(shí)滿足低功耗與耐用需求的內(nèi)存解決方案。 此時(shí)，人們又把目光移到當(dāng)年被冷落的次世代非揮發(fā)性內(nèi)存身上。

相對(duì)于目前主流的NOR與NAND Flash內(nèi)存，這些號(hào)稱次世代內(nèi)存幾乎在所有方面完勝它的競(jìng)爭者，不僅具備更好的讀寫速度，更低的電耗，同時(shí)非常耐用，能夠承受在汽車和工業(yè)的環(huán)境，唯一的缺點(diǎn)，就是成本。

也由于成本的緣故，這些次世代內(nèi)存并沒有大量生產(chǎn)的市場(chǎng)空間，因?yàn)槿绻粡娜萘績r(jià)格來看這些次世代內(nèi)存目前仍沒有大量商用的價(jià)值，也完全無法跟主流的閃存競(jìng)爭。 不過如果針對(duì)特定應(yīng)用，或者是嵌入式內(nèi)存等級(jí)的設(shè)計(jì)，那么這些次世代內(nèi)存可說是明日之星。

目前市場(chǎng)上能夠提供次世代內(nèi)存產(chǎn)品的業(yè)者并不多，主要的有富士通（Fujitsu）和賽普拉斯半導(dǎo)體（Cypress）提供FRAM產(chǎn)品，采用串行（I2C和SPI）和并列接口的解決方案，已量產(chǎn)的容量從4Kb至4Mb。

在MRAM方面，則有美商Everspin Technologies和Spin Transfer Technologies （STT），其中Everspin是目前市場(chǎng)上唯一一家提供商用MRAM產(chǎn)品的業(yè)者， 提供的芯片容量從128Kb到16Mb，而主要的應(yīng)用領(lǐng)域則集中在工業(yè)、航天、車用、能源與物聯(lián)網(wǎng)。

至于RRAM，則被業(yè)界認(rèn)為最有機(jī)會(huì)成為主流次世代內(nèi)存的技術(shù)，同時(shí)也是目前投入研發(fā)廠商最多的技術(shù)。 包含Adesto Technologies、Crossbar、三星半導(dǎo)體（Samsung semiconductor）、美光（Micron）、海力士（Hynix）和英特爾都擁有生產(chǎn)RRAM技術(shù)。

但值得注意的是，雖然投入的業(yè)者眾多，但其中僅有Adesto Technologies和Crossbar具有商業(yè)量產(chǎn)的能力，尤其是Crossbar已與中國的中芯國際合作，正積極拓展中國市場(chǎng)， 而提供的儲(chǔ)存容量從128Kb到16Mb。

在***，工研院也成功研發(fā)出RRAM的生產(chǎn)技術(shù)，并已在院內(nèi)的8吋晶圓試產(chǎn)，未來將會(huì)與***的內(nèi)存業(yè)者合作，導(dǎo)入12吋晶圓的制程尋求量產(chǎn)的機(jī)會(huì)。

更具殺傷力的嵌入式內(nèi)存技術(shù)

獨(dú)立式（standalong）的次世代內(nèi)存已可大幅提升系統(tǒng)的效能，但采用直接在SoC芯片中嵌入的設(shè)計(jì)，則可將效能再往上提升一個(gè)等級(jí)。 因此，嵌入式內(nèi)存技術(shù)所帶來最直接的成果，就是效能與體積。

由于嵌入式內(nèi)存制程是在晶圓層級(jí)中，由晶圓代工廠把邏輯IC與內(nèi)存芯片整合在同一顆芯片中。 這樣的設(shè)計(jì)不僅可以達(dá)成最佳的傳輸性能，同時(shí)也縮小了芯片的體積，透過一個(gè)芯片就達(dá)成了運(yùn)算與儲(chǔ)存的功能，而這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)裝置經(jīng)常需要數(shù)據(jù)運(yùn)算與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存來說，非常有吸引力。

以臺(tái)積電為例，他們的主要市場(chǎng)便是鎖定物聯(lián)網(wǎng)、高性能運(yùn)算與汽車電子等。

不過，目前主流的閃存因?yàn)椴呻姾蓛?chǔ)存為其數(shù)據(jù)寫入的基礎(chǔ)，因此其耐用度與可靠度在20nm以下，就會(huì)出現(xiàn)大幅的衰退，因此就不適合用在先進(jìn)制程的SoC設(shè)計(jì)里。 雖然可以透過軟件糾錯(cuò)和算法校正，但這些技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)中轉(zhuǎn)換并不容易。 所以結(jié)構(gòu)更適合微縮的次世代內(nèi)存就成為先進(jìn)SoC設(shè)計(jì)的主流。

另一方面，次世代內(nèi)存也具有超高耐用度的，所以無論是對(duì)環(huán)境溫度的容忍范圍或者存取的次數(shù)，都能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的解決方案，因此這些新的嵌入式內(nèi)存技術(shù)就更運(yùn)用在特定的市場(chǎng)。

以RRAM為例，歐洲研究機(jī)構(gòu)愛美科（Imec）幾年前就已經(jīng)發(fā)表了10nm制程的技術(shù)，突破了目前NAND Flash的極限。 近期MRAM技術(shù)也宣布其制程可以達(dá)到10nm，甚至以下。

不過次世代嵌入式內(nèi)存SoC芯片的制程非常困難，不僅整合難度高，芯片的良率也是一個(gè)門坎，目前包含臺(tái)積電、聯(lián)電、三星、格羅方德（Globalfoundries）與英特爾等，都投入大量的人力在相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)上。

而以發(fā)展的時(shí)程來看，次世代嵌入式內(nèi)存技術(shù)將會(huì)先運(yùn)用在特定用途的SoC和MCU上，而隨著制程成熟與價(jià)格下降后，將會(huì)有更多的應(yīng)用與市場(chǎng)。