新应用衍生新需求　记忆体该升级或改朝换代？

虽然目前传统记忆体在3D制程加持下尺寸更小、密度更大，性能得到很大提升，但新兴记忆体技术无论是作为独立晶片还是被嵌入于ASIC、MCU和运算处理器中，都有可能变得比现有的记忆体技术更具竞争力...各路厂商如何抉择？

记忆体产业有着周期性的波动，每当技术处于升级期时，就会出现价格上升；而技术成熟让储存密度提升，并且大批量生产后，又会让整个市场因为供过于求价格下降。

可见，推动产业的是先进技术。但是人都不喜欢“改变”，无论半导体供应商还是OEM，也许都更倾向于接受在既有产线和技术基础上的升级，而不是全面导入一种新技术。虽然目前传统记忆体在3D制程加持下尺寸更小、密度更大，性能得到很大提升，但新兴记忆体技术无论是作为独立晶片还是被嵌入于ASIC、微控制器(MCU)和运算处理器中，都有可能变得比现有的记忆体技术更具竞争力。

预计到2029年，新兴记忆体市场可望创造200亿美元的合并收入。其中，PCRAM由于价格低于DRAM，可望在2029年前成长至160亿美元的市场规模。同时，独立型MRAM和STT-MRAM(基于自旋转移力矩的MRAM)的收入将接近40亿美元，或超过2018年MRAM收入的170倍。

面对这样的诱惑，各路厂商如何抉择—在传统记忆体上持续演进，还是给新技术一个改朝换代的机会？
新应用对储存提出新需求

随着5G的逐步商用，汽车电子化以及人工智慧物联网(AIoT)应用的大量普及，大部分新兴领域的传统记忆体和储存架构已不能满足需求，储存产业需要在技术和模式上进行创新，才能跟上这样的趋势。

在上述的场景中，主要可分为两个大分类，一个是大量布署的感测终端，一个是需要即时回应的智慧终端机。华邦电子(Winbond)Flash产品企划处副处长陈苇霖认为，具体细分市场不同，对记忆体的性能需求也不一样。对于大量布署的智慧装置，成本与功耗是否够低将是关键；而需要一定运算能力的边缘设备，则需要具备高速读取写入介面/能力的记忆体，才能满足其对于系统性能的要求。

储存产业的专业人士从几个主流市场的例子，发表了各自的看法。

矽成半导体(ISSI)技术市场副总监田步严认为，5G元件市场主流DDR4的需求将超过DDR3，此外对大容量SPI NOR Flash需求快速增长，平行NOR Flash比例在逐渐减少。汽车电子中的智慧座舱应用，也对记忆体提出了大容量、高频宽、高速率的要求，从LPDDR4/LPDDR4X逐步过渡到LPDDR5，同时eMMC需求也成长很快，未来在自动驾驶中还需要记忆体具有低延迟、低功耗和自动纠错(内建ECC)等特性。AI应用方面则要求高频宽、高速度，目前Arm based 解决方案以双通道LPDDR4/4X为主，部分FPGA和x86架构以DDR4模组为主。
东芯半导体副总经理陈磊表示，大容量是所有记忆体发展的趋势，特别是5G大型基地台对大容量NOR Flash的需求。传统的消费类的NOR以中低容量为主，集中在128Mb以下，但是基地台对NOR的需求是512Mb、1Gb甚至2Gb。低功耗的要求主要在穿戴式的物联网(IoT)产品上，这类产品的特点是都以电池来驱动系统工作，使用的主要记忆体包括NOR Flash和低功耗DRAM。
“至于小封装，在AIoT等‘雾端’IoT设备上表现明显，以真无线(TWS)耳机为代表，这类产品本身的内部空间非常狭小；”陈磊说道，“所以在这些应用领域，我们不仅要提供晶圆级的封测产品，有的厂商更提出要提供系统级封装(SiP)晶圆产品。”
从硬体上来说，实现汽车的智慧化需要更多的环境感知，兆易创新Flash事业处资深产品市场总监陈晖表示，随着感测器和更多MCU整合到系统中，汽车电子各功能单元的资料都需要更高性能的Flash；从软体上来说，随着更多软体的整合，程式码量逐渐增加，直接导致Flash的容量需求越来越大。
其次是即时响应，对于高性能IoT应用，由于受到系统成本、功耗和尺寸的限制，通常会考虑减少或者去除DRAM，主晶片可以从Flash直接执行程式码，即晶片内执行(XiP)，采用这种运作方式的Flash，能够大幅度缩短固定位元组资料的读取时间，减少主晶片的等待时间，从而提高主晶片的效率。
可靠性和安全性也是这些应用重点关注的问题。陈晖认为，对Flash而言，需要保证20年内的资料保存和10万次以上的擦写次数。而安全性方面，相对于系统单晶片(SoC)，Flash用于储存众多关键系统程式码、应用程式码以及驱动程式，当应用和设备遭到攻击时，Flash更容易被当作攻击的第一目标，记忆体厂商要与主晶片厂商紧密配合，才能将Flash与SoC进行安全性绑定，提升整体系统的安全性。
从主控晶片角度分析
随着3D NAND Flash层数越来越高，所衍生的相互干扰与资料潜在错误率，NAND Flash主控晶片这时候也需要与时俱进。“我们在Flash控制晶片中加入了专利AI演算法，加强ECC的修正能力；”衡宇科技行销专案副总胡家铭表示，这能让使用者在享用越来越高容量的同时提升资料安全性。他介绍，主控晶片中的错误更正模组，历经从BCH (Bose、Ray-Chaudhuri、Hocquenghem)码发展到LDPC (Low Density-Parity Check)码的发展过程，资料流程设计从单纯的硬解码，进步到含有NAND通道状态参数的软解码。
“我们的重点在于调整NAND通道搭配设定环境状态参数值，结合自我适应AI的动态演算法，选择最佳的参数设定。”胡家铭说，NAND通道状态参数的品质会影响LDPC的解码能力与容错率，NAND的状态分布随着时间、温度环境，跟使用次数会一直改变并且寿命会衰减，NAND通道状态参数跟NAND的读写操作状态息息相关。运用自我调整AI技术，可以透过训练来辨识NAND的状态并且加以预测当下NAND通道的状态参数，达到最大量化资讯并提升LDPC的随机错误保护能力，有效延长NAND使用寿命。
5G除了速度倍增以外，频宽也加大，另外也带动了AIoT应用中最重要的边缘运算(Edge computing)。慧荣科技(Silicon Motion)市场行销暨研发资深副总Nelson S. Duann分析，边缘运算会带来大量的资料需求，再加上内部运算需要快速的资料分析及存取，因此“存放装置原先最常使用的SATA III介面已经渐渐无法满足5G × AIoT的需求，而取而代之的是PCIe介面。从Gen3 x2、x4再到更快速的Gen4 x2、x4，都已经达到亦或是超出5G目前所需要的速度。”另外他也指出，在5G × AIoT的网路世界里，安全更是其中最重要的一环，“不仅仅要提供资料在内部传输的端到端加密，还要在资料保护上提供AES、OPAL等加密标准，才能使得固态硬碟(SSD)在5G和AIoT等技术的快速演进下跟上脚步。”
而在汽车电子化的演进下，越来越多的电子技术也在车上逐渐实现，先进驾驶辅助系统(ADAS)、自动驾驶等技术对于存放装置的速度以及稳定性有了更高要求，并且为了降低震动的风险，基本上都使用嵌入式的SSD作为存放装置。Duann表示：“需要有各种规格的车载SSD来满足不同的需求，除了eMMC、SATA、PCIe以外，目前最新的UFS也已经准备好要用于车载领域。”
DRAM和NAND不断演进
作为记忆体晶片产业的两大驱动力，DRAM和NAND技术都在不断演进。随着美光(Micron)量产首批LPDDR5晶片，LPDDR5和UFS3.0将成为5G手机标配，进一步满足5G手机对储存读写速度和功耗的要求。
在陈磊看来，将来DRAM的发展趋势有两个：“一个是高频宽，包括采用TSV的HBM、HBM2 或HMC；另一个是低延迟的RLDRAM。”在NAND Flash上，目前国际主流制程都已经是3D NAND，包括三星(Samsung)、海力士(SK Hynix)、美光和东芝(Toshiba)等基本都进入了96层的3D NAND。TLC 3D NAND制程已经成熟，也已经看到QLC的3D NAND在SSD上使用。
目前控制器IC在制程也已进入1x nm节点，衡宇科技表示对未来UFS市场持正面看法，而同时eMMC市场也会持续应用在其他嵌入式产品上，与UFS并存。一个是高速/高容量的应用领域，一个是低耗电/低容量的应用领域。对于QLC/PLC这类储存技术，胡家铭认为初期还不会用在嵌入式产品上，而是会以其可插拔的Flash产品特性为主要应用市场，例如uSD/SSD/USB，技术更成熟后才会进入嵌入式产品。
从制程结构上看，NAND Flash的3D堆叠的层数已经从32层来到92或96层，即使128层或更多堆叠层数也都已经在NAND厂商的技术蓝图上；从速度上看，3D NAND介面的速度已经从800Mbps提升到1,600Mbps，接下来就上看2,000Mbps以上。为了因应3D NAND的制程转换和速度提升，“记忆体控制器会预先规划支援各家最新NAND介面的速度，同时也将满足低功耗、高性能的要求；”Duann指出，“以行动储存应用的UFS为例，就非常需要高性能、低功耗及如何管理3D NAND让整个储存产品寿命延长。”
LDPC电路对于3D NAND ECC的纠错更正是必备，RAID是另一个管理NAND的利器，各家3D NAND都有稍许不同的要求。
阻碍新兴记忆体的因素
一些新兴记忆体技术，如MRAM、 STT-MRAM、PCRAM、ReRAM、 FRAM等已被提出来几十年，仍在等待合适的时机爆发。据Objective Analysis和Coughlin Associates发布的最新年度报告《Emerging Memories Ramp Up》显示，MRAM、PCRAM和ReRAM已经发展到关键期，并且已经开始取代SoC中的大部份嵌入式NOR Flash、SRAM，甚至是DRAM。
应用材料(Applied Materials)金属沉积产品事业部全球产品经理周春明在接受EE Times China 采访时曾表示，这些新型记忆体既能提供更多工具来增强近记忆体运算(Near Memory Compute)，也是下一阶段记忆体内运算(In-Memory Compute)的建构模组。

然而，阻碍他们的最大因素或许还是成本。
记忆体是一个成本导向的产业，在记忆体技术选择中，较昂贵的技术通常被低成本的技术所取代。陈晖表示，记忆体的容量和单元大小决定了记忆体的单位成本，容量越大、储存单元越小，单位成本就越低。在此同时，要取代现有技术，需要找到关键的市场应用，这也是新兴记忆体的重要挑战之一。
在所有不断涌现的新兴记忆体中，MRAM最有可能被广泛采用，然而这既取决于制程的进步，也取决于支援离散和嵌入式MRAM元件技术的生态系统之改善。举例来说，第一代MRAM (Toggle MRAM)具有非挥发性、高可靠性、快速读写的特性，可以有效抵抗高辐射以及高温环境，Toggle MRAM的主要缺点是功耗相对高、尺寸比较大，受限于整合度和成本，应用市场主要集中在军工、航太、车载、医疗等领域。
而新一代的MRAM技术—STT-MRAM，得益于其在功耗、持久和耐用上的优异性能，受到产业的广泛关注，目前主要应用在企业级储存，包括SSD buffer、RAID buffer等。
FRAM方面，“由于尺寸延展性和高成本的瓶颈，基于PZT的FRAM发展受到限制，基于二氧化铪(HfO2)的新型FRAM受到业界的关注，但尚处于早期研发阶段；”陈晖表示，WebFeet Research研究资料显示，FRAM 2018年全球市场规模约1.3亿美元。
汉萨科技(Hexas)执行长王振志认为，新型记忆体首先要解决的问题是薄膜的介面电性与材料物理特性，而且须与主流技术如DRAM搭配，才能在容量密度、操作速度和信赖度上匹配现有的记忆体规格与条件，在容量密度、量产化和替换弹性度上占有先机。
避开正面战场　寻求新兴应用
陈苇霖认为，目前Flash与DRAM保持大量稳定生产，产品品质也非常高，而且也因为产品特性而衍生出相关硬体与软体相互支援的生态系统；“因此在既有应用下，新兴储存技术要挑战目前广泛使用的Flash与DRAM十分的困难。”
但是他补充，新兴记忆体的价值较容易在现有产品无法使用的特殊场景中被重视，如高环境温度、极低功耗需求。然而特殊应用场景意味着需求稀少，如何找到可以爆炸性成长的特殊杀手级应用十分重要。凭藉早期少量多样的需求，逐步完备新兴记忆体的品质同时，降低生产成本是最大的挑战。
田步严和陈磊也持相同观点，就是新型的非挥发性产品短期内不会取代传统的挥发性记忆体。因为从成本来说，这类新品单位元的价格依旧偏高，储存密度也还远不及今天的3D NAND和DRAM。另外，生态不够健全，制程演进速度也偏慢，现在都是在替代嵌入式的eFlash和SRAM市场。只有等容量达到今天NAND的水准，且成本大幅下降，才有可能取代现有的SPI NOR、NAND和DRAM。

DRAM、NAND和3D XPoint技术的性能比较。
对于独立的记忆体市场来说，研发和推广新产品成本很高，对于已有成熟储存产品的市场，取代趋势不易，所以新型记忆体往往朝新兴应用市场发展。