物聯網(IoT)、人工智慧(AI)、5G、工業4.0等應用推升資訊量暴漲，使得DRAM、SRAM、NAND Flash等傳統記憶體的儲存效能逐漸遇到瓶頸，同時在高速運算方面也受到了阻礙。為克服此一挑戰，產官學各界紛紛加大新興記憶體的研發以及投資力道，相關解決方案陸續問世，期能在未來取代傳統DRAM、Flash和SRAM三大記憶體產品。
MRAM成主要發展方向
新興記憶體如雨後春筍般浮現，其中MRAM備受期待的原因，除了其具備更好的儲存效能之外，另一個原因在於MRAM的特性可以滿足製程微縮需求，因此被視為極具吸引力的記憶體方案。所以，不論是學界或是半導體產業，多以MRAM為主要的發展目標，希望能早日拓展MRAM市場普及率。
三星宣布開始量產28nm FD-SOI製程eMRAM
布局MRAM市場，三星電子(Samsung)宣布已開始量產28nm FD-SOI製程的商業化嵌入式MRAM(eMRAM)解決方案。三星指出，該公司克服了eMRAM可擴展性挑戰的技術障礙，並將製程節點發展到28nm，除了實現更低成本、更佳功率、速度之外，還能讓產品依舊保有非揮發性、隨機存取和高耐久性等特徵。
據悉，基於此一製程的eMRAM解決方案可提供更好的功率、讀寫速度和更低成本等優勢。由於eMRAM不需要在寫入數據前進行抹寫循環(Erase Cycle)，因此eMRAM的寫入速度和傳統快閃記憶體相比快了1,000倍。另外，eMRAM的使用電壓低於傳統快閃記憶體，具有低功耗特性，且在待機狀態下不會耗電，因此能提高能源效率。
三星晶圓代工行銷副總裁Ryan Lee表示，在克服新材料的複雜挑戰後，該公司開發了eMRAM技術，並將eMRAM與現有成熟的邏輯製程結合，以提供獨特的競爭優勢和量產可能，滿足客戶和市場需求。
透過與28nm FD-SOI製程結合，以實現更好的電晶體控制(Transistor Control)和降低洩漏電流，此一方案將可滿足MCU、IoT和AI等各式應用需求。另外，在宣布可量產28nm FD-SOI製程的eMRAM解決方案後，三星也計劃擴展其eMRAM解決方案，除了在2019開始生產1Gb eMRAM測試晶片之外，也預計2020年積極推廣18nm FD-SOI eMRAM。
結合MRAM 群聯讓SSD效能再攀升
另一方面，隨著企業伺服器應用近年來逐漸大量採用SSD已是主流趨勢，而如何透過整合各種新興記憶體技術來提升現行主流SSD的效能及可靠度也逐漸成為研發企業級SSD時不斷探討的議題。因此，群聯電子便嘗試將企業級SSD方案整合MRAM，以拓展高階儲存應用市場。
群聯電子技術長馬中迅(圖1)表示，5G將會對儲存產業帶來明顯的轉變，5G的特點包括頻寬高、速率快、延遲性低，因而可以傳輸、擷取大量的聯網裝置資料；因此，對於儲存產品而言(例如SSD)，也必須要呼應到5G的特點。同時，由於AI應用的興起，高速運算的需求增加，這也會對儲存產品有更高的性能和容量要求，基於5G和AI的變化，記憶體業者開始強化儲存架構，朝更快、容量更大邁進。
為此，群聯宣布與Everspin策略聯盟，正式整合Everspin的1Gb STT-MRAM至群聯次世代的企業級SSD儲存解決方案設計，持續引領快閃記憶體控制晶片設計方向。
馬中迅指出，MRAM是一種非揮發性記憶體技術，其特色除了具有低功耗及讀寫速度高於NAND等之外，還包括斷電時資料不會遺失。雖說目前的記憶體技術或SSD等儲存技術也有斷電資料保存方案，但這需要一些成本、時間和技術代價，但若改用MRAM，可以進一步優化無預警斷電的資料防護機制(也就是恢復時間更快)。而SSD搭配MRAM後，更能提升SSD的效能，對於群聯持續布局企業伺服器SSD高階儲存應用市場為一大助力。
據悉，整合Everspin的1Gb STT-MRAM至群聯的快閃記憶體控制晶片設計及SSD儲存方案，將能協助該公司超大型數據中心客戶及企業OEM夥伴提升整體SSD效能、降低資料延遲，以及提升服務質量(Quality of Service, QoS)。
讓儲存更穩/更好 工研院積極研究SOT-MRAM
AI、5G等應用推升資訊量呈現爆炸性的成長，因應如此龐大的資料儲存、傳輸需求，新興記憶體備受關注。為此，工研院也致力研發新一代MRAM技術，除了引領業者創新研發方向外，也希望能藉此加快新興記憶體發展腳步。
工研院電光系統所所長吳志毅表示，5G與AI時代來臨，摩爾定律一再向下的微縮，半導體走向異質整合，不同的技術整合性越來越強，能突破既有運算限制的下世代記憶體將在未來扮演更重要角色。MRAM速度快、可靠性好，適合需要高性能的場域，像是自駕車，雲端資料中心應用等，未來應用發展潛力可期。
據悉，在MRAM技術的開發上，工研院於IEEE國際電子元件會議(International Electron Devices Meeting, IEDM)中發表自旋軌道轉矩(Spin Orbit Torque, SOT)MRAM相關的最新研究成果。
吳志毅指出，相較於台積電、三星等公司即將導入量產的第二代MRAM技術(STT-MRAM)，SOT-MRAM為全球積極研究中的最新第三代技術，以寫入電流不流經元件磁性穿隧層結構的方式運作，避免現有MRAM操作時，讀、寫電流均直接通過元件對元件造成損害的狀況，同時也具備更穩定、更快速存取資料的優勢。
吳志毅補充，更重要的是，SOT-MRAM的讀寫次數更優於STT-MRAM。假設目前STT-MRAM的讀寫次數為10的10次方左右，那麼新一代SOT-MRAM的讀寫次數則可達到10的14次方左右。換言之，SOT-MRAM不僅能夠更穩定、更快速存取資料，且讀寫次數大幅增加，因而有望滿足更多高速運算應用。
FRAM方案持續問世 材料為普及挑戰
相較於其他以MRAM為主的業者，日本記憶體大廠富士通(Fujitsu)則是致力推動FRAM，並持續推出相關解決方案。例如日前富士通便發布可在攝氏高達125度的高溫下運作的新款2Mbit FRAM「MB85RS2MTY」。此款FRAM非揮發性記憶體在運作溫度範圍內能保證10兆次讀/寫週期，並支援像記錄駕駛資料或即時定位資料等這類持續且頻繁的資料記錄。
由於該記憶體屬於非揮發性，即使遇到突然斷電的狀況，寫入的資料也能受到保護不會遺失。因此，這款產品適用於需在高溫環境中運作的應用，像是具有會產生大量熱能的引擎或馬達的汽車設備與工業機器人。
這款擁有2Mbit密度的產品採用SPI介面，支援從1.8~3.6伏特的廣泛電壓範圍，且運作耐熱度可高達攝氏125度；即使在這樣的高溫環境也能保證10兆次的讀/寫次數，相當於EEPROM的一千萬倍，而最高運作頻率則達到50MHz，比現有產品快1.5倍。此外，這些產品的可靠度測試符合AEC-Q100 Grade 1標準，達到被稱為「汽車級」產品的認證標準。
不過，雖說目前富士通致力發展FRAM，但FRAM若要加快普及速度，仍須克服尺寸微縮和成本兩大挑戰。目前FRAM具有所有新興記憶體技術中最低的操作功耗，但現有的FRAM使用鈣鈦礦(Perovskite)晶體作為材料，而鈣鈦礦晶體材料化學成分複雜、製作不易且內含的元素會干擾矽電晶體，因此提高了FRAM元件的尺寸微縮難度與製造成本。
吳志毅表示，FRAM要普及的挑戰在於材料，例如目前富士通所用的PZT晶體，這是一種壓電材料，雖說可以達到更好的儲存效果，但PZT材料較難進一步的微縮，否則會失去其記憶體特性；因此，工研院目前也嘗試用新的材料研發新世代鐵電記憶體。
例如，工研院在以「使用應力工程氧化鉿鋯之三維、可微縮、高可靠度鐵電記憶體技術」為題的論文中，成功以半導體製程中易取得的氧化鉿鋯鐵電材料替代現有材料，不但驗證優異的元件可靠度，並將元件由二維平面進一步推展至三維立體結構，展現出應用於28nm以下嵌入式記憶體之微縮潛力。
此外，工研院也以「亞奈安培操作電流之氧化鉿鋯鐵電穿隧接面於記憶體內運算應用」為題的論文中，則使用獨特的量子穿隧效應達到非揮發性儲存的效果，所提出的氧化鉿鋯鐵電穿隧接面可使用比現有記憶體低上一千倍的極低電流運作，並達到50奈秒的快速存取效率與大於一千萬次操作的耐久性，此元件將來可用於實現如人腦中的複雜神經網路，進行正確且有效率的AI運算。
PCRAM靠英特爾打江山 Optane力促資料中心轉型
相較於MRAM和FRAM，PCRAM目前推廣力道最大的莫過於是英特爾(Intel)，該公司積極推動旗下新型記憶體產品Optane至雲端資料中心，以進一步的優化資料中心工作負載。
為此，英特爾致力推廣Optane DC記憶體，希望藉此為資料中心效能提供新基礎，與傳統DRAM結合使用時可提供高達36TB的系統級記憶體容量，且能與第二代Intel Xeon可擴充處理器相結合以加速IT轉型，支援資料時代的需求，並提供比以往更快的分析、雲端服務等。
同時，英特爾也宣布Optane最新願景與策略。英特爾資深副總裁暨非揮發性記憶體解決方案事業群總經理Rob Crooke(圖2)說明，未來該公司將在位於美國新墨西哥州Rio Rancho的工廠拓展全新Intel Optane技術研發生產線，並宣布代號為「Barlow Pass」的第2代Intel Optane DC持續性記憶體搭載新一代Intel Xeon可擴充處理器，預計將於2020年推出。
Crooke指出，機器所產生的大量資料通常需透過即時分析後，才能賦予資料價值。此項需求突顯了記憶體儲存層級結構所產生的缺口，即DRAM容量不足、SSD則不夠快；此外，硬碟速度也越來越不能滿足以資料為中心的運算環境，而這些挑戰可透過Intel Optane克服。
Crooke認為，這世界產生資料的速度越來越快，而企業對於如何有效地處理這些資料也顯得越來越無所適從。在眾多企業中，能勝出的主要區別就在於誰能夠從這些資料中獲取價值。這些任務將需要在記憶體和儲存層級結構進行先進創新，而這正是英特爾目前所推動的工作。
目前英特爾已有許多合作夥伴，例如微軟(Microsoft)正在對其客戶端作業系統進行重大更新，以支援Optane所提供像是快速啟動和遊戲讀取等眾多新功能與特色；或是甲骨文(Oracle)也宣布整合Optane至其下一代Exadata平台「ORACLE Exadata X8M」之中。
綜上所述，隨著AI、5G、雲端運算、工業4.0、物聯網等應用帶來更龐大的資料量，為尋求更快、更好、更省成本的儲存解決方案，半導體產業紛紛加快新興記憶體布局，可以想見的是，在2020年，勢將有更多相關解決方案陸續出籠。
