DDR4、NAND Flash記憶體晶片發展趨勢

處理器速度與雲端運算持續驅動動態記憶體規格的演變，從DIP、EDO、SDRAM到DDR/DDR2/DDR3/DDR4。Samsung/Micron/Intel

DDR4以前瞻性的高傳輸速率、低功耗與更大記憶容量，在2014年下半將導入英特爾工作站？伺服器以及高階桌上型電腦平台，並與LP-DDR3記憶體將同時存在一段時間；至於NAND Flash快閃記憶體也跨入1x奈米製程，MLC將以pseudoSLC(pSLC)——將MLC記錄結構中四種電荷記錄狀態，透過間隔使用其中兩組的方式——提升可抹寫次數(Program Erase；P/E)與耐受度，來搶佔極端要求耐受度的軍方與工控市場，而C/P值高的TLC從隨身碟、記憶卡的應用導向低階SSD…

DDR4伺服器先行  2016超越DDR3成為主流

處理器(CPU)、繪圖晶片(GPU)運算效能隨摩爾定律而飛快進展，加上雲端運算、網際網路行動化浪潮下，持續驅動動態記憶體(Dynamic RAM；DRAM)的規格進化。從非同步的DIP、EDO DRAM，到邁向同步時脈操作的SDRAM開始，以及訊號上下緣觸發的DDR/DDR2/DDR3/DDR4記憶體，甚至導入20奈米與新型態的Wide I/O介面以降低訊號腳位數與整體功耗。

DDR4較以往不同的是改採VDDQ的終端電阻設計，目前計畫中的傳輸速率進展到3,200Mbps，比目前最高速的DDR3-2133傳輸速率快了50%，將來不排除直達4,266Mbps；Bank數也大幅增加到16個(x4/x8)或8個(x16/32)，這使得採x8設計的單一DDR4記憶體模組，容量就可達到16GB容量。

而DDR4運作電壓僅1.2V，比DDR3的1.5V低了至少20%，也比DDR3L的1.35V還低，更比目前x86 Ultrabook/Tablet使用的低功耗LP-DDR3的1.25V還要低，再加上DDR4首次支援深度省電技術(Deep Power Down)，進入休眠模式時無須更新記憶體，或僅直接更新DIMM上的單一記憶體顆粒，減少35%~50%的待機功耗。

將來邁入20奈米製程時，會導入3D立體堆疊加矽鑽孔(3D Stacks+TSV)封裝技術，以及針對繪圖晶片、行動裝置提出低腳位數的Wide I/O，來提升DRAM記憶體單位容量與頻寬。

英特爾將分別把DDR4規格導入伺服器？工作站平台，以及最高階桌上型電腦平台(High-End DeskTop；HEDT)。前者是伺服器處理器XEON E5-2600處理器(代號Haswell-EP)，搭配的DDR4記憶體為2,133Mbps(DDR4-2133)；後者則是預定第三季推出的8核心Intel Core i7 Extreme Edition處理器，同樣搭配DDR4-2133記憶體，以及支援14組USB 3.0、10組SATA6Gbps的X99晶片組，成為2014第4季至2015年上半年英特爾最強悍的桌上型電腦平台組合。

而超微(AMD)下一代APU(代號Carrizo)已延遲至2015年登場，但其記憶體支援性仍停留在DDR3。至於行動裝置部份，安謀(ARM)針對伺服器市場打造的64位元Cortex-A57處理器核心，已預留對DDR4記憶體支援，而第三方IP供應商也提供了相關的DDR4 PHY IP。

三星於2013年底宣佈量產20奈米製程的4GB記憶體顆粒，將32GB的記憶體推向伺服器市場；2014年1月推出行動裝置用的低功耗DDR4(LP-DDR4)。SK海力士在2014年4月宣佈借助矽鑽孔(TSV)技術，開發出單一DDR4晶片外觀、容量達128GB。市場預料DDR4將與DDR3(DDR3L、LP-DDR3)等共存一段時間，預計到2016年才會超越DDR3而成為市場主流。

業界也正觀察，在一些非揮發性記憶體如相變記憶體(Phase-Change Memory；PCM)、磁阻記憶體(Magneto Resistive Memory；M-RAM)、電阻記憶體(Resistive Memory；RRAM)等技術已蓄勢待發、即將邁向商業量產門檻之際，DDR4將可能是末代的DDR記憶體，屆時電腦與軟體結構將會出現極為劇烈的變動。

NAND Flash逼近製程物理極限  以3D提升容量密度

以浮閘式(Floating Gate)半導體電路所設計的NAND Flash非揮發性記憶體，隨著Flash製程技術不斷進化、單位容量成本不斷下降的情況下，已經在智慧手機、嵌入式裝置與工控應用上大量普及。

Micron自家市場統計預測指出，從2012到2016年總體NAND Flash容量應用的年複合成長率可達51%。2013年，美光(Micron)與SK Hynix兩家晶圓廠，先後發表16nm製程的NAND Flash記憶體技術，而東芝(Toshiba)則在2014年直接跨入15nm製程，並推出相關NAND Flash記憶體晶片產品。

NAND Flash傳輸速率，從2010年ONFI 2.0的133MB/s，eMMC v4.41的104MB/s；到2011年ONFI v2.2/Toggle 1.0規格，傳輸速率提升到200MB/s，eMMC v4.5拉高到200MB/s，UFS 1.0傳輸速率為2.9Gbps；2012年ONFI v3.0/Toggle v1.5提升到400MB/s，UFS v2.0傳輸速率倍增為5.8Gbps；預估到2015年，ONFI v4.x/Toggle v2.xx規格定義的傳輸速率增到800MB/s、1.6GB/s。

隨著NAND Flash製程進步與線路寬度與間距的微縮，連帶影響到抹寫次數(P/E Cycles)的縮減。SLC記憶體從3x奈米製程的100,000次P/E Cycles、4個ECC bit到2x奈米製程降為60,000 P/E、ECC 24bit。MLC從早期5x奈米製程10,000 P/E、ECC 8bit，到2x/2y奈米製程時已降為3,000 P/E、24~40個ECC bit。

有廠商提出，eSLC、iSLC的記憶體解決方案，以運用既有的低成本的MLC記憶體，在單一細胞電路單元使用SLC讀寫技術(只儲存單一位元的電荷值)，抹寫耐用度提升到30,000次P/E，成本雖比MLC高，但性價比遠優於SLC，可應用在IPC？Kiosk？POS系統、嵌入式系統、伺服器主機板以及薄型終端機等。

隨著採用傳統2D平面製程技術的NAND Flash即將瀕臨極限，NAND Flash大廠紛紛開始採用3D堆疊製程技術來增加密度。旺宏(Macronix)在2006年提出Multi TFT(Thin Film Transistor)的堆疊NAND設計概念，同年Samsung也發表Stacked NAND堆疊式快閃記憶體，2007年東芝發表BiCS，2009年東芝發表P-BiCS、三星發表TCAT、VG-NAND與VSAT，2010年旺宏發表VG TFT，2011發表PNVG TFT，同年Hynix也發表Hybrid 3D技術。2010年VLSI研討會，旺宏公佈以75奈米製程，TFT BE-SONOS製程技術裝置的VG(垂直閘) 3D NAND技術。預計2012年進入55nm製程，2013年進入36nm製程，2015年進入2xnm製程，製程進度落後其他大廠甚多。

三星(Samsung)同樣於2006年發表Stacked NAND，2009年進一步發表垂直通道TCAT與水平通道的VG-NAND、VSAT。2013年8月，三星發佈首款名為V-NAND的3D NAND Flash晶片，採用基於3D CTF(Charge Trap Flash)技術和垂直堆疊單元結構，單一晶片可以集結、堆疊出128 Gb的容量，比目前20nm平面NAND Flash多兩倍，可靠性、寫入速度也比20nm製程NAND Flash還高。三星目前在3D-NAND Flash應用進度領先其他業者，V-NAND製造基地將以韓國廠與新設立的大陸西安廠為主。其V-NAND目標直接揮軍伺服器等級固態硬碟，從2013年第四季開始，陸續送樣給伺服器業者或是資料中心製造商進行測試。

東芝(Toshiba)以2009年開發的BiCS—3D NAND Flash技術，從2014年第二季起開始小量試產，目標在2015年前順利銜接現有1y、1z奈米技術的Flash產品。為了後續3D NAND Flash的量產鋪路，東芝與新帝(SanDisk)合資的日本三重縣四日市晶圓廠，第二期工程擴建計畫預計2014年Q3完工，Q3順利進入規模化生產。而SK海力士與美光(Micron)、英特爾(Intel)陣營，也明確宣告各自3D NAND Flash的藍圖將接棒16奈米，計畫於2014年Q2送樣測試，最快於年底量產。

由於3D NAND Flash記憶體的製造步驟、工序以及生產良率的提升，要比以往2D平面NAND Flash需要更長時間，且在應用端與主晶片及系統整合的驗證流程上也相當耗時，故初期3D NAND Flash晶片將以少量、限量生產為主，對整個行動裝置與儲存市場上的替代效應，在明年底以前應該還看不到。

行動裝置的快閃記憶體容量、速率進展

行動裝置所需要的GB儲存容量，據估計每部手機搭配的NAND Flash容量，將從2012年5.5GB增加到2015年的25.1GB；每部平板電腦搭配NAND Flash容量，從28.7GB增加到2015年的96.1GB。

eMMC(embedded MultiMedia Card)是JEDEC協會所推出泛用的儲存媒體規範，其藉由將MMC Controller跟NAND Flash封裝成一顆晶片的方式，行動裝置無須顧慮著NAND Flash製程與規格的改變，與新世代NAND Flash搭配的快閃記憶體控制晶片與韌體的搭配，進而簡化體積與電路設計。2013年全球有4.5億部行動裝置均使用eMMC。

而Universal Flash Storage(UFS)將以往eMMC安全、低功耗、小尺寸封裝的應用，融合目前SSD所使用到的高速串列介面技術，目前UFS 1.1規格傳輸速率達到3Gbps，未來UFS 2.0將可進一步達到6Gbps。因UFS跟既有的eMMC介面迥然不同也無法相容，相關產業供應鏈尚未齊全，整個產業生態尚未建立，UFS產品預估2014年才有小量產品出現在市面上，且因成本因素會瞄準在高階市場，UFS與eMMC兩者屆時會並存在市場上一陣子。