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工業儲存技術再進化!
完美記憶體MRAM現身
[作者 季平]   2022年08月26日 星期五 瀏覽人次: [5533]

近年來,半導體先進製程微縮趨勢帶動下,加上AI人工智慧、5G與AIoT等科技加速推進,3C設備、智慧家電、智慧汽車、智慧城市到國防航太等領域都可以應用大量晶片記錄海量數據。


記憶體是所有微控制器嵌入式系統的主要元件,快閃記憶體(Flash)儲存技術早已成為工控設備的主流配備。近年來,半導體先進製程微縮趨勢帶動下,加上AI人工智慧、5G與AIoT等科技加速推進,3C設備、智慧家電、智慧汽車、智慧城市到國防航太等領域都可以應用大量晶片記錄海量數據。新一代嵌入式記憶體具有小體積、大容量、高效能等特性,可以滿足龐大運算需求,帶動前瞻記憶體研發能量。


新興記憶體出線 MRAM最受業界期待

記憶體大分嵌入式和獨立式NVM。Yole Developpement預測,2020-2026年間,整體新興非揮發性記憶體(NVM)市場的年複合成長率約為44%,隨著新興嵌入式NVM技術顯著成熟,預估2026年eMRAM市場規模為17億美元,約占整體新興eNVM市場的76%。獨立式NVM市場預計2026年達33億美元規模,至於獨立式PCM市場在2026年可望成長達26億美元的規模,占整體獨立式記憶體市場的78%。記憶體技術研發成為兵家必爭之地。


目前記憶體市場仍以動態隨機存取記憶體(DRAM)與儲存型快閃記憶體(NAND Flash)為主流,隨著磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)逐漸成為市場關注焦點,eMRAM市場快速成長,主要半導體業者如台積電(TSMC)、英特爾(Intel)、三星(Samsung)、格芯(GlobalFoundries)、聯華電子(UMC)等相繼投入研發。


另一方面,隨著半導體微縮製程技術的突破,摩爾定律不斷成功被挑戰,DRAM與NAND Flash也面臨微縮挑戰,近幾年,DRAM已接近微縮極限,而NAND Flash則走向3D轉型。除了體積愈來愈小,記憶體也面臨到高速運算等技術障礙。如今的儲存解決方案必須具備高速、低耗電,斷電後仍可保持資料等特性,才能達到「三好」標準:成本更佳、速度更快、效能更好。新興記憶體走在「三好」路上,如鐵電隨機存取記憶體 (FRAM)、相變化隨機存取記憶體(PRAM)、磁阻式隨存取記憶體(MRAM) 及可變電阻式隨機存取記憶體 (RRAM) 等,其中,MRAM 最受業界期待。


若與DRAM面積2,048 nm2、SRAM面積21,000 nm2相比,MRAM的面積僅400 nm2,不用微縮已具有極佳的尺寸優勢。工研院電光所副所長駱韋仲指出,新興記憶體的材料、結構不同,多半維持單一特性,很難趨近完美特性。磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)具有可微縮至22奈米以下的潛力,擁有高讀寫速度、低耗電,斷電後仍可保持資料等特性,成為趨近於「完美記憶體」的新興記憶體代表,未來可以整合成先進製程嵌入式記憶體,廣泛應用於AI人工智慧、車用電子、高效能運算晶片等領域,具有極佳的發展前景。


圖1 : 工研院電光所副所長駱韋仲。(source:工研院)
圖1 : 工研院電光所副所長駱韋仲。(source:工研院)

路是無限寬廣 嵌入式與獨立式通用

非揮發性記憶體MRAM是利用高敏感度磁電阻材料所製成,儲存的資料即使面臨斷電也不會消失,而且耗能較低,讀寫速度快,可以媲美靜態隨機存取記憶體 (SRAM),又比Flash速度快上百千倍。值得一提的是,MRAM的記憶容量媲美DRAM,同時具有處理與儲存資訊等功能,而且可以長時間保存資料,適合應用於高性能存儲場域。


由於微縮製程已成業界常態,DRAM製程多停滯在1X奈米階段,Flash在20奈米之下已轉型3D製程,與DRAM、SRAM及NAND Flash等記憶體縮無可縮的窘境相比,嬌小的MRAM有相對大的調整優勢,製程可達10奈米以下。至於SRAM則有成本與能量損耗的問題需克服。


綜合來說,MRAM集Flash非揮發性技術、SRAM快速讀寫、DRAM高集積度等特性,堪稱「完美記憶體」,甚至可能替代SRAM,未來發展備受業界期待。因此,全球IDM大廠及晶圓代工廠相繼投入MRAM研發,近5年來已經開始應用於產品之上,有希望成為嵌入式或獨立式通用的記憶體。


工研院電光所副所長駱韋仲進一步說明,MRAM與前述DRAM、NAND Flash及SRAM等記憶體不同,基本結構是磁性隧道結,研發難度相當高,主要可分為傳統MRAM及自旋轉移矩磁阻式隨機存取記憶體(STT-MRAM),MRAM以磁場驅動, STT-MRAM採自旋極化電流驅動。各家半導體大廠近年來投入STT-MRAM研發,產生愈來愈多嵌入式解決方案,這些解決方案可以取代Flash、EEPROM及 SRAM。如三星採28奈米完全空乏型矽絕緣層金氧半電晶體(FD-SOI)製程,格芯的製程已推進至22 奈米;英特爾採用鰭式場效電晶體(FinFET)技術,推進至22奈米製程。


台積電早於2017年5月發表自行研發多年的嵌入式磁阻式隨機存取記憶體(eMRAM)及嵌入式電阻式記憶體(eRRAM)技術,採用先進的22奈米製程。台積電也與台灣工研院共同開發22奈米嵌入式STT-MRAM,採用超低漏電互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術,技術驗證已完成並進入量產,朝16奈米STT-MRAM 發展,可切入下世代嵌入式記憶體MCU、車用電子元件、物聯網及AI等領域。


今年6月,工研院與台積電正式合作開發自旋軌道扭矩磁性記憶體(SOT-MRAM)陣列晶片。SOT-MRAM(Spin Orbit Torque Magnetoresistive Random Access Memory)技術能在低電壓、電流下,達到0.4奈秒的高速寫入,同時具備7兆次耐受度,比歐洲最大半導體研究機構—比利時微電子研究中心高出百倍之多,同時具有超過10年的資料儲存能力。相關技術未來可以整合成先進製程嵌入式記憶體,投入AI人工智慧、車用電子、高效能運算晶片等領域。



圖2 : 工研院與台積電共同開發自旋軌道扭矩磁性記憶體(SOT-MRAM)陣列晶片。(source:工研院)
圖2 : 工研院與台積電共同開發自旋軌道扭矩磁性記憶體(SOT-MRAM)陣列晶片。(source:工研院)

除了與業界合作,工研院也與陽明交大合作研發工作溫度橫跨近400度的磁性記憶體技術,相關技術發表於國際超大型積體電路技術研討會。


駱韋仲表示,新興磁性記憶體高效能運作技術可以提高記憶體寫入速度、縮短延遲、降低寫入電流與增高使用次數,實驗證實,可以在127度到零下269度範圍內具有穩定、高效能的資料存取能力,橫跨400度溫度的穩定存取能力,代表未來在量子電腦、航太領域等前瞻應用與產業方面極具發展潛力,有助強化台灣在半導體產業的世界地位。


短期內,DRAM與NAND Flash仍將居於記憶體市場主導地位,但隨著三星、台積電等大廠先後投入MRAM記憶體產品研發,有助記憶體技術更新,一旦MRAM成本逐步下降,勢必提升市場普及率,成為未來新主流。


儲存解決方案SOFA

儲存技術與前述記憶體技術優劣息息相關。過去,工控系統的儲存裝置容量不一定要大,但要夠穩定,否則故障發生時,有可能導致整體系統停擺,甚至生產線停機,損失重大。近幾年隨著工業電腦的應用快速發展,儲存技術也漸趨多元,除了需要大量儲存、機房環境較為理想的安全監控外,HDD硬碟較少受到青睞。


工研院資通所組長卓傳育指出,以儲存設備來說,仍以軟體為核心,重視儲存系統快速擴充、高彈性儲存架構及高儲存/傳輸效率等面向。先進的存儲技術使用flash記憶體,其他功能多半是記憶與及時運算,相關的高階應用多與雲端服務業者有關,如Google、微軟(Microsoft)、亞馬遜(Amazon)等業者使用的存儲技術通常較為高規,但高科技存儲設備並不是很普及。從製造業來看,如影音、照片等資料比較需要快速存取與傳輸,不夠快就會有延遲問題,不過,發展較快速的企業可能透過開源技術改進既有設備與存儲技術,調整儲存架構、設計就可以符合使用需求,或者也有業者採購高技術storge解決問題。


隨著雲端運算、人工智慧、物聯網(IoT)及5G技術的加入與催化,存儲需求不再限於Google等雲端業者。由於工控設備必須因應環境與功能需求做出差異化設計,儲存裝置也必須貼合需求,除了客製化,小型化也成為工業儲存的趨勢之一。固態硬碟(SSD)具有體積小、效率高、低噪音等優勢,成為硬碟市場的新主流。


近年來,工研院將研發能量聚焦於雲端儲存同步系統,並透過記憶體式資料處理技術,讓檔案處理速度加快為傳統資料庫的八倍。以工研院研發的全快閃儲存陣列管理技術(Software Orchestrated Flash Array;SOFA)為例,主要功能在於聚合一台伺服器上所有的快閃磁碟空間,以及讀寫能力,匯聚成一個擁有大容量且速度極快的儲存池,可於一般通用硬體上提供超過100萬次輸出入(IOPS)的資料存取速度。使用者可以單顆磁碟使用儲存池,或透過虛擬磁碟管理功能,依照使用者需求建構虛擬磁碟,不同使用者或不同應用程式都可以共用該儲存池。



圖3 : 全快閃儲存陣列管理技術(SOFA)。(Source:工研院)
圖3 : 全快閃儲存陣列管理技術(SOFA)。(Source:工研院)

SOFA內建RAID 5/6及快照的保護功能,有助資料保護,在提供保護的同時,仍舊維持一百萬IOPS的效能,同時達到軟硬體所需CPU資源分配最佳化及自動化分配。此外,SOFA還搭配背景壓縮及去重複等功能以節省空間,適合需要高速讀寫效能的應用程式,如資料庫應用程式(MySQL,Oracle)、高效能運算(HPC)、虛擬桌面(VDI)等。


隨著AI人工智慧與企業雲端儲存市場漸趨成熟,SOFA提供另一種管理快閃記憶體磁碟陣列的軟體解決方案,可以在一般硬體平台上,透過網路對外提供高效能儲存服務。快閃記憶體磁碟陣列伺服器可藉由SOFA提升存取效能,在完善配置條件下,伺服器透過網路對外提供4KB區塊的隨機存取速度,支援以RAID5集合磁碟陣列,並突破傳統RAID5的效能瓶頸,提升10倍的讀寫效能,透過跨磁碟的平均抹寫技術(Global Wear Leveling),可以延長整個磁碟陣列的平均壽命達2倍。



圖4 : 超高速長效全快閃儲存陣列管理技術可於一般通用硬體上提供超過1百萬IOPS的資料存取速度。(source:工研院)
圖4 : 超高速長效全快閃儲存陣列管理技術可於一般通用硬體上提供超過1百萬IOPS的資料存取速度。(source:工研院)

台灣優勢:從邏輯製程切入

在記憶體與工業儲存技術研發領域中,仍是全球半導體大廠的天下,除了台積電、聯電、旺宏等少數電子業者,台灣業者可以切入的領域不多。不過,工研院電光所副所長駱韋仲認為,嵌入式記憶體與邏輯製程有關,而台灣在邏輯製程方面居於領先地位,可以切入與邏輯相容或具有共通性的製程,找尋邏輯製程可以微縮的利基,或者從調整架構、材料、成分做起,如果可以做出特別的嵌入式記憶體,對台灣半導體產業地位來說,加分很大。


記憶體有很多不同架構,大家都在尋找「最完美記憶體」,現在已經有前述幾種新興記憶體在某些領域量產,但還需要進一步探勘,駱韋仲認為,台灣優勢不只有邏輯,還有記憶體、封裝,先進製程也很成功,「未來不會只針對單一元件,而是強調系統整合概念,這種系統層級的創新是台灣很大的機會。」


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