FRAM

物聯網(IoT)、人工智慧(AI)、5G、工業4.0等應用推升資訊量呈現爆炸性的成長，所有資料都必須在邊緣蒐集，並且從邊緣到雲端的多個層級進行處理和傳輸、儲存和分析。 因應如此龐大的資料儲存、傳輸需求，在DRAM、SRAM，以及NAND Flash等傳統記憶體已逐漸無法負荷，且再加上傳統記憶體的製程微縮愈加困難的情況之下，驅使半導體產業轉向發展更高儲存效能、更低成本同時又可以朝製程微縮邁進的新興記憶體。 AI/5G新應用催動新興記憶體發展腳步 AI、5G、IoT和工業4.0等發展讓資訊量呈現爆炸式的成長，而這些資料都必須在邊緣收集，接著從邊緣到雲端進行多個層級的傳輸、處理、儲存和分析，以將大量的資量轉變為有價值的資訊。此一趨勢不僅帶來全新的運算需求，資料量的猛烈成長，對於高容量、高讀寫次數及更快讀寫速度的記憶體需求也明顯上升。因此，新興記憶體如磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)、鐵電隨機存取記憶體(FRAM)、電阻式隨機存取記憶體(RRAM)和相變隨機存取記憶體(PCRAM)等便相繼興起。 工研院電子與光電系統所所長吳志毅(圖1)表示，5G與AI時代來臨，且產生的資料量更多、更廣，因此會有更大的儲存需求；而要有更快的運算效率，意味著記憶體的讀取速度也要再加快。因此，5G、AI的出現，驅使記憶體朝更大容量、更快讀取速度發展，也因此，各大記憶體業者開始加快並投入更多資源開發新興記憶體，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，期能在日後取代目前主流的三大記憶體產品(分別為DRAM、Flash和SRAM)。 圖1　工研院電子與光電系統所所長吳志毅表示，５G、AI的到來加快新興記憶體發展腳步。 吳志毅說明，新興記憶體之所以成為目前半導體產業的重點目標，除了希望研發儲存容量更大、讀寫效率更好的記憶體滿足未來5G、AI、IoT等新應用的儲存和高速運算需求之外，還有一點是目前傳統記憶體在製程微縮上面臨困境(例如在1x奈米以下的製程微縮要花費更多時間、成本)。因此，半導體產業開始加大新興記憶體的研發和投資力道。 應用材料半導體事業群金屬沉積產品處全球產品經理周春明(圖2)指出，由人工智慧和大數據所推動的新運算需求，加上摩爾定律擴展的趨緩，造成硬體開發和投資的復興。 圖2　應用材料半導體事業群金屬沉積產品處全球產品經理周春明指出，新型記憶體的功耗、效能和面積成本效益更優異。 各種規模的企業正競相開發新的硬體平台、架構與設計，以提升運算效率，例如MRAM、RRAM和PCRAM等新的記憶體技術興起，便是晶片與系統設計人員都致力研究的關鍵領域。這些新型記憶體提供更多工具來增強近記憶體運算(Near Memory Compute)，也是下一階段記憶體內運算(In-Memory Compute)的建構模組。全新的記憶體技術預計可為邊緣與雲端裝置提供優於現有記憶體技術的功耗、效能和面積成本效益。 滿足製程微縮需求　MRAM普及潛力佳 新興記憶體如雨後春筍般浮現，其中MRAM最受青睞，同時也是各大廠商積極投入的原因，除了其具備更好的儲存效能外，更重要的是，現今的處理器(CPU)製程不停朝微縮化邁進，以因應高速運算需求。 然而，這些處理器內嵌的記憶體(如NAND Flash、SRAM)卻漸漸無法實現更小的晶粒尺寸，因此，儲存效能高，且也能滿足製程微縮的MRAM，便被視為極具吸引力的記憶體方案。 格芯(GlobalFoundries)尖端eNVM資深總監Martin Mason表示，嵌入式記憶體產業目前正處在一個過渡點，28nm節點可能是eFlash最後一個具有成本效益的節點，在28nm之後，eFlash要進行製程微縮十分困難，所花費的時間、成本高昂，因此，在28nm之後，記憶體業者開始尋找全新的嵌入式非揮發性記憶體技術，以適用各種創新、快速成長的低功耗應用/設備(例如物聯網) Mason進一步說明，目前有許多新的非揮發性記憶體技術，但仍有許多挑戰待克服。像是透過改變電介質電阻以儲存數據的RRAM，是許多研究和開發的主題，不過，同樣是在28nm以下的製程遭逢挑戰(28nm以下製程尚不成熟)，因而限制其大量生產和採用；至於PCRAM，同樣是缺乏28nm以下的代工支援，使得其採用也受到限制。相比之下，MRAM已有許多代工業者、記憶體業者投入發展，使其普及和採用性大增，例如該公司便將FDX與MRAM相結合，以獲取更高的功率優勢、低功耗和小尺寸。 周春明則指出，電腦產業正在建構物聯網，其中將會有數百億個裝置內建感測器、運算與通訊功能，以監控環境、作決策和傳送重要資訊到雲端資料中心；而在儲存物聯網裝置的軟體與AI演算法方面，MRAM成為儲存用記憶體的首選之一。 周春明說明，MRAM採用硬碟機中常見的精緻磁性材料，本來就是快速且非揮發性，就算在失去電力的情況下，也能保存軟體和資料。由於速度快與元件容忍度高，MRAM最終可能做為第3級快取記憶體中SRAM的替代產品。MRAM可以整合於物聯網晶片設計的後端互連層，進而實現更小的晶粒尺寸，並降低成本。 根據應用材料提供的資料指出，研究顯示，以整合式MRAM解決方案取代微控制器之中的eFlash和SRAM，便可以節省高達90%的功耗；若是採用單一電晶體MRAM取代六個電晶體SRAM，便能夠實現更高的位元密度和更小的晶片尺寸。這些功耗與面積成本優勢使得MRAM成為邊緣裝置的理想選擇。 吳志毅則表示，5G、AI的崛起，使得記憶體產業對容量更高、速度更快的儲存技術更加殷切，在覺得現有的SRAM、DRAM等記憶體不足以滿足未來應用需求時，自然會尋求更快、容量更大、更高效的新興記憶體，這是必然的趨勢，基於此，MRAM便受到各大業者關注，期能用於CPU中取代SRAM。 吳志毅指出，和現有的SRAM相比，MRAM除了讀寫速度快之外，更重要的是讀寫次數大增(預估可達上兆次)，這也是各大業者希望用MRAM取代SRAM的原因之一。未來AI、5G的應用，會產生愈來愈大量的資料，處理器讀取的資料量會明顯增加，一秒鐘可能就須讀寫1,000次、10,000次。而舊有的記憶體(例如快閃記憶體)最大壞處在於讀寫次數有限制，假設最高讀寫次數只能到10,000次，當應用在USB之中，一般的使用者可能會沒有什麼感覺，因為USB要使用到10,000次以上，會需要很長的時間。 然而，若是用於CPU等處理器中，就明顯不足了。日後各式5G、AI應用興起，處理器要讀寫的資料量只會有增無減，1秒鐘的資料讀取次數可能就高達上千、上萬次，這麼一來，舊有記憶體的資料讀寫限制明顯無法因應未來應用需求。也因此，能滿足製程微縮、儲存容量大，且讀寫次數又明顯增加的MRAM便成新選擇。 簡而言之，除了上述所提的儲存效果更好、讀寫次數高，可滿足未來新興的AI、5G應用外；更重要是，如今半導體業界持續朝微縮製程邁進的目標，但現有的記憶體在製程微縮上面臨極大挑戰，MRAM因而被視為有望取代這些記憶體的元件，因此受到記憶體、晶圓代工等業者關注，並積極投入開發，成為未來大規模發展潛力最佳的新興記憶體。 因應AI雲端運算　FRAM//RRAM各有所長 除了上述所提的MRAM因能滿足製程微縮需求，遂成為半導體產業研發重點的新興記憶體之外，其餘如FRAM、RCRAM、RRAM等新興記憶體技術也馬不停蹄的發展中。 FRAM採用鐵電質膜用作電容器來儲存資料，具有唯讀記憶體(ROM)和隨機存取器(RAM)，在高速寫入、高耐受力、低功耗和防竄改方面擁有優勢。 目前FRAM已經用於小容量和頻繁資料寫入的應用，包括OA設備，如適用於計數器和列印計錄的MFP設備，或適用於儲存參數和資料記錄的FA設備；財務終端，又或是適用於交易歷史記錄的ATM終端，基礎設施架構中的計量器、汽車導航系統和音響設備。 目前各大記憶體業者中富士通(Fujitsu)最為積極投入FRAM發展。富士通指出，該公司的FRAM採用PZT晶體結構(圖3)，這種結構通常用作典型的鐵電質材料。在點陣中具有鋯和鈦，作為兩個穩定點，它們可以根據外部電場在兩個點之間移動。一旦位置設定，即使再出現電場，它也將不會再有任何移動。頂部和底部的電極安排了一個電容器。那麼，電容器劃分了底部電極電壓和極化，超越了磁滯回線。資料以「1」或「0」的形式儲存。簡而言之，FRAM特點可分為以下三點： 圖3　富士通目前開發的FRAM為PZT晶體結構。 1.當加置磁場時就會產生極化(鋯/鈦離子在晶體中向上或向下移動)。 2.即使在不加置磁場的情況下，也能保持電極。 3.兩個穩定的狀態以「0」或「1」的形式儲存。 與傳統記憶體相比，FRAM所具有的優勢還包含：非揮發性、沒有上電也可保存所儲存的資訊、無需電池(環保產品)、更高速度寫入、可覆寫、不需要抹除指令、對於抹/寫操作無等待時間、寫入週期時間等於讀取周期時間、具有更高的耐受力、更低的功耗和不需要使用加壓電路等。 至於PCRAM和RRAM，周春明表示，隨著資料量產生呈現指數性遽增，雲端資料中心也需要針對連結伺服器和儲存系統的資料路徑，達成這些路徑在速度與耗電量方面的數量級效能提升。RRAM與PCRAM是快速、非揮發性、低功率的高密度記憶體，可以做為「儲存級記憶體」，以填補伺服器DRAM與儲存記憶體之間，不斷擴大的價格與性能落差。 據悉，RRAM採用新材料製成，材料的作用類似於保險絲，可在數十億個儲存單元內選擇性地形成燈絲，以表示資料。PCRAM則採用DVD光碟片中可找到的相變材料，並藉由將材料的狀態從非晶態變成晶態，以進行位元的編程。換言之，藉由精確控制晶圓上的組成物質，可以顯著強化功耗、效能與面積成本(PPAC)。 類似於3D NAND記憶體，RRAM和PCRAM是以3D結構排列，而記憶體製造商可以在每一代的產品中加入更多層，以穩健地降低儲存成本：而RRAM與PCRAM也提供編程與電阻率中間階段的可能性，讓每個儲存單元可以儲存多個位元的資料。簡而言之，PCRAM和ReRAM兩種技術都具有結構堆疊，包含容易受薄膜成分和劣化衰退影響的多重元素材料；兩者都是高密度記憶體應用的候選技術。 相較於DRAM，RRAM與PCRAM皆承諾未來可以大幅降低成本，而且讀取效能也比NAND和硬碟機快上許多；且PCRAM或是RRAM的儲存級記憶體更可以提供超過10倍以上的存取速度，使得這些記憶體成為雲端資料的首選，以克服AI運算相關的資料移動瓶頸。 因此，不論是PCRAM或RRAM，也有半導體業者積極投入發展，例如英特爾(Intel)致力推動的Optane記憶體，便屬於PCRAM的範疇(圖4)。 圖4　英特爾Optane新型記憶體。 總而言之，AI、5G、IoT和工業4.0等發展讓資訊量呈現爆炸式的成長，全新的運算需求驅動記憶體朝更高容量、高讀寫次數、更快讀寫速度、更低功耗發展；而新興記憶體除滿足上述需求外，和傳統記憶體相比，還可實現製程微縮化，半導體產業遂積極投入新興記憶體發展，期能在未來取代DRAM、Flash和SRAM三大主流記憶體產品。