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美光轉向電荷捕捉 3D Xpoint暖身時間不多了

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西瓜偎大邊 電荷捕捉大獲全勝

在半導體的世界裡,一項技術能否成功,供需兩端的規模都是非常重要的因素。美光的NAND Flash產品發展路線決定從浮閘轉向電荷捕捉,正是因為除了英特爾跟美光之外,業內已經沒有其他供應商採用浮閘技術。

由於美光決定轉向,未來還會堅守浮閘技術的NAND Flash供應商將只剩下英特爾。對英特爾來說,這是一個相當不利的情況。一來日後所有的研發費用將必須獨自承擔,二來設備供應鏈業者願意力挺到何種程度,也是個問題。英特爾的設備採購訂單再大,也無法跟三星、東芝、海力士等業者的設備需求總量相比。設備業者在商言商,其NAND Flash相關設備的研發重心必然往電荷捕捉移動,未來還能分配多少資源給浮閘製程所使用的設備,是個大哉問。

事實上,類似的情況在DRAM產業就曾發生過。在21世紀的前十年,DRAM產業就曾發生過溝槽式(Trench)與堆疊式(Stack)的架構大戰。溝槽式DRAM(圖1)的電容在閘極下方,堆疊式DRAM(圖2)的電容器則在閘極上方,是這兩種DRAM最大的差異。

新電子科技雜誌主筆黃繼寬
圖1 溝槽式DRAM

在溝槽式DRAM的製程中,必須先在基板蝕刻出溝槽,然後在溝槽中沉積出介電層,以形成電容器,然後在電容器上方再製造出閘極,構成完整的DRAM Cell。這種製程最大的技術挑戰有二,一是隨著線寬越來越細,溝槽的寬深比跟著增加,如何蝕刻出這種溝槽,是相當大的技術挑戰。其次,在進行沉積製程時,由於溝槽的開口越來越細,要在溝槽裡面沉積足夠的介電材料,形成容值夠高的電容器,也越來越難。相較之下,堆疊式DRAM則沒有上述問題,因此隨著製程節點越往前推進,溝槽式DRAM的採用者越來越少。

兩大技術陣營從130奈米開始一路纏鬥到75奈米,最後只剩下奇夢達(Qimonda)還能做出溝槽式DRAM,其他DRAM業者則早已改採堆疊式架構。而在這個過程中,DRAM業者不斷跳槽到堆疊式架構,設備業者對溝槽式製程的支援也越來越少。最後,隨著奇夢達破產,溝槽式DRAM也宣告走入歷史。

如果歷史經驗有任何參考價值,溝槽式DRAM與堆疊式DRAM的大戰告訴我們,英特爾可能做出了很危險的決策。台語俗諺說「西瓜偎大邊」,看準趨勢發展方向,站在主流方,可獲得的生態系統資源也越多,規模經濟效應也越明顯。而站錯邊的廠商,最後往往只能黯然退出市場。

人多的地方不要去

照理說,英特爾應該也看得出固守浮閘技術的危險性,但英特爾/美光宣布分手已經幾個月過去,英特爾看起來沒有改變NAND Flash技術發展路線的打算。有些媒體認為,英特爾應該只是不願公開承認浮閘技術已經走到盡頭,試圖做最後的努力。

但對英特爾而言,浮閘技術或許仍有值得賭一把的理由。筆者認為,英特爾不是一家會為了面子死撐的企業,從Wireless USB、WiMAX到WiDi,英特爾技術發展押錯寶的例子其實不少,最後都是以壯士斷腕的結局收場。因此,另一個可能是,英特爾對自己的浮閘技術掌握度深具信心,認為至少還能再支撐一個世代以上,然後將自家記憶體產品過渡到Optane,也就是3D Xpoint技術。

事實上,筆者認為,對手握3D Xpoint技術的英特爾來說,以浮閘技術為基礎的NAND Flash,最大的任務是爭取時間,而不是真的要一直靠此技術跟其他NAND Flash供應商競爭。

雖說西瓜偎大邊,但「人多的地方不要去」也是商業競爭的常識。NAND Flash記憶體跟DRAM一樣,是同質性很高的產品,也因為如此,供應商之間的競爭武器,直言之只有三項法寶–產品開發速度、成本控管跟口袋深度。誰的產品開發速度領先同業,誰就能掌握新產品上市初期的高獲利時機;成本控管能力較佳、口袋深度夠深的業者,則更有籌碼打價格戰,在市況不佳的時候熬過市場寒冬。

相較於其他記憶體供應商,英特爾其實有很多策略選項,Optane就是一路活棋,而且是其他記憶體供應商所沒有的獨家技術。Optane的讀寫效能理論上接近DRAM,但卻具有NAND Flash的非揮發特性,被認為是非常有潛力的次世代記憶體。不過,目前Optane固態硬碟(SSD)的效能其實跟NAND Flash SSD相去不遠,價格卻高出一大截,因此市場接受度並不理想。也因為如此,英特爾還需要時間為Optane做更多準備,包含平台架構/軟體的調整跟最佳化,以及最重要的降低成本,Optane的市場接受度才有機會提升。

另一方面,Optane除了用在SSD之外,也可以DIMM模組的型態出現。目前英特爾已經提供基於Optane的DIMM模組工程樣品給特定客戶,預計2019年開始量產。這是一項非常值得關注的產品,即便短期內Optane DIMM不可能取代DRAM的地位,但至少有攪局的潛力。

某記憶體相關業者就直言,主機板上的DIMM插槽總數不太有增加的機會。換言之,只要Optane DIMM占掉一個插槽,DRAM的DIMM插槽就少一個。由於DRAM報價居高不下,英特爾在2017年拱手把盤據數十年的全球半導體營收龍頭寶座讓給了三星,而Optane DIMM這項產品在此刻現身,其實頗有牽制三星的意味存在。

前面提到,英特爾不是純記憶體業者,而是運算平台的主導者,因此,相較於其他記憶體業者只能在英特爾制定的平台框架內競爭,在技術上,英特爾可以用平台設計來拉抬Optane,在商業模式上也有捆綁銷售的可能性。

供應商家數不足恐成普及障礙

雖然Optane有其特殊性,而且英特爾還可以將其包裹在平台中推廣,但整體來說,這項技術未來的最大隱憂,恐怕就是它的特殊性。3D Xpoint是英特爾跟美光聯手開發的次世代記憶體技術,目前已經商品化的廠商則只有英特爾一家,美光則不願意將基於3D Xpoint技術的記憶體運用在SSD產品上,甚至寧可讓其廠房閒置,也不願生產3D Xpoint記憶體。

某種程度上,這也是Optane SSD價格居高不下的原因之一,因為產能實在太低。沒有量就不會有Cost Down,是電子業的基本規律。此外,單一供貨商也會使原始設備製造商(OEM)跟品牌廠持觀望態度。

或許也是考量到單一供應商可能造成的問題,加上3D Xpoint的部分關鍵技術也來自美光,因此在英特爾、美光宣布停止合作開發下一代NAND Flash記憶體的同時,美光也明確表示,雙方在3D Xpoint技術上的合作將繼續進行。

美光的盤算應該是將3D Xpoint記憶體運用在DIMM模組產品上,而非SSD。但即便英特爾跟美光聯手提供3D Xpoint記憶體,其供應量相對於整個DRAM或NAND Flash產業來說還是太小,只能稍微紓解單一供應商的疑慮。

總結來說,3D Xpoint雖有發展潛力,但其市場普及仍有諸多障礙需要克服,英特爾跟美光的操盤手,對此必須小心翼翼,做好縝密規畫。

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