若論及半導體领域的商品,首先非記憶體莫属。 記憶體產業始終占有最大的媒體版面。時下最熱門的高需求 DRAM 晶片,其平均售價的漲跌常被視為整體半導體產業的指標。
市場與製造商
經濟方面,目前半導體市場每年可創造約 $3000 億的產值,其中記憶體晶片便分食了一塊可觀的大餅,但每年的表現卻極為多變。製造商必須付出高額成本才能在市場持續生存,且邊際收益漸趨微薄,除非是市場龍頭,否則通常只能在景氣較佳時大幅獲利。記憶體主要大廠數量正逐漸縮減-過去十多年來,有不少市佔率始終超過 5% 的記憶體供應商均已經歷重大整併。 這種情況首先發生於 DRAM 市場,而非揮發性記憶體 (NVM) 的領先製造商近年來競爭極為激烈,其中又以快閃記憶體為主要戰場。
製程、架構與互連
技術方面,記憶體晶片研發的主要挑戰在於必須與不斷進化的微處理器效能保持同步,並提供更快速、功耗更低的記憶體。 雖然記憶體一直是矽晶製程研發的主要驅動因素,但記憶體製造商必須設法改進記憶體結構,並轉為製造更小的處理節點,因此所面臨的壓力愈來愈高。有鑑於必要的技術經濟正逐漸萎縮,領先的 DRAM 製造商如今已開始生產 30nm 節點,部分廠商也開始生產 25nm 的裝置樣本。 領先製造商已開始利用 20 到 30nm 的製程技術生產 64-Gbit 記憶體,以應用於 NAND 快閃記憶體、固態硬碟儲存資料所用的常見快閃記憶體、USB 快閃硬碟及多媒體記憶卡。
隨著 3D 記憶體技術的重要性與日俱增,先進的記憶體架構與結構也成為必要條件:技術製程方面,DRAM 記憶體單元採用 3D 結構設計,而矽晶粒方面則利用 TSV(Through-Silicon-Via,直通矽晶穿孔)使 DRAM 晶粒堆疊;兩者相互連結之下,方可符合市場對於高密度的需求。搭配垂直閘極結構的 3D NAND 快閃記憶體可提供極高的耐用性與可靠性,此先進產品的研發可望於明年或未來幾年內實現。
記憶體產業所面臨的另一大議題是新世代高產量互連標準的可能性。JEDEC 於 2011 年初公佈的通用快閃記憶體 (Universal Flash Storage, UFS) 標準為嵌入式與可拆式快閃記憶體儲存裝置的最先進規格。此標準是針對需要高效能與低功耗的行動應用產品和電腦系統所專門制定而成。
快閃記憶體 - 成長與替代品?
快閃記憶體市場目前正不斷茁壯成長,主因為平板電腦與智慧型手機等消費型智慧行動裝置對於高速低功耗記憶體的需求不斷提高。市場分析公司 IHS iSuppli 於 2010 年發表的資料指出,NAND 快閃記憶體會成為未來幾年內主導的行動應用領域記憶體技術。 DRAM 佔據約三分之一的市場,其餘則由 NOR 快閃記憶體包辦,可見快閃記憶體於 2011 年可望搶下行動產品記憶體市場總營收的一半左右。 另帶一提,雖然傳統硬碟預計很快就會退出可攜式電腦、伺服器或消費型行動市場,但其高密度儲存空間仍持續提升,因此記憶體仍無法削弱其地位。
雖然快閃記憶體的前景仍持續看好,短期內也不太可能遭到淘汰,但可長期取代快閃記憶體的獨立式與嵌入式應用產品研發,仍是現今記憶體技術的有趣現象之一。 市場上的主要競爭者提供超越快閃記憶體的各種優點,例如快上 100 倍的讀寫速度與明顯提升的寫入循環次數:
相變記憶體 (PCM) 資料產生的原理是對 PCM 的類玻璃材質施加各種等級的電流,使其物理結構改變,呈現介於晶體與無定形狀態之間的狀態。 由於可運用各種等級的電流,PCM 因此可提供每單元 1 bit 以上的資料儲存效能。
鐵電隨機存取記憶體(FeRAM 或 FRAM) 的性質與 DRAM 相近,兩者皆可隨機存取個別位元以執行讀寫。這種記憶體具有採用鐵電材質的單元式電容,於此可施加電場,使鐵電材質極化。
磁電阻式隨機存取記憶體 (MRAM) 與第二代 MRAM-SST-MRAM(自旋轉移力矩 MRAM)均採用磁性儲存元件。 此技術不僅可望取代 DRAM 及 SRAM 記憶體,也有可能成為快閃記憶體的替代品。
電阻式 RAM (RRAM) 技術的原理為兩個穩定電阻狀態(低/高)之間的電阻元件材料產生電子轉換(由電流或電壓引起)。 IMEC 研究機構預測,採用堆疊式結構的 RRAM 裝置將可以 11nm 節點進入市場。 該機構認為快閃記憶體的發展極限可達到 20nm,SONOS(矽-氧化矽-氮化矽-氧化矽-矽)Flash 則以 17nm 與 14nm 節點位居中等。
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