風馳又電掣 剎那即永恆－高速高容量記憶體晶片發展趨勢

英特爾藉由14nm Skylake處理器平台加大DDR4普及的力道。Source: Intel

2014年下半DDR4進駐英特爾工作站及高階桌上型電腦平台，2016第1季搭著14nm製程的Skylake處理器平台的順風車而成為主流；雖然NAND Flash快閃記憶體已跨入1z奈米製程、TLC與3D堆疊技術製程，卻即將面臨到百千倍速的讀寫速度與耐受度的電阻記憶體(ReRAM)、相位記憶體(PCM)的威脅，甚至進而取代DRAM而顛覆整個電腦？嵌入式系統運作架構與產業生態…

DDR4加速普及  2017年超越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、裝置虛擬化與物聯網的浪潮的推波助瀾，記憶體大廠仍持續驅動動態記憶體(Dynamic RAM；DRAM)的規格進化。2014年第3季英特爾(Intel)邀集記憶體大廠美光(Micron)、三星(Samsung)、海力士(Sk Hynix)等推動DDR4記憶體技術。

DDR4藉由較高的內部時脈驅動與內建VDDQ終端電阻設計與設計，計畫傳輸速率上限來到4,266Mbps，是當前最高速DDR3-2133傳輸速率的一倍，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；加上DDR4具備深節電技術(Deep Power Down)，進入休眠模式時只須更新單一記憶體顆粒(甚至無須更新)，減少35？50%的待機功耗。

Bank數也倍增至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，以單顆8Gb DRAM顆粒計算，單隻DDR4 DIMM容量上限可達到16GB容量。同時另外定義了低腳位數的Wide I/O介面封裝，來提升DRAM記憶體單位容量與頻寬，以強化對繪圖晶片、行動裝置上的應用。

SK海力士在2014年4月宣布藉助矽鑽孔(TSV)技術，開發出單一DDR4晶片外觀、容量達128GB。三星(Samsung)於2015年3月底首度展示針對伺服器開發的Registered ECC DDR4-DIMM模組，使用18顆採20奈米製程、3D立體堆疊加矽鑽孔(3D Stacks + TSV)封裝技術的16Gb DDR4顆粒，單隻模組容量即高達32GB，日後也預留到以相同線距製程下，以3D TSV技術做出單一64Gb DDR4顆粒，單隻容量達128GB的海量DDR4記憶體模組，以當前採4通道桌上型電腦、8通道伺服器電腦主機板的擴充性，未來滿載配置512GB甚至1？2TB記憶體的電腦很快就會出現。

在英特爾平台藍圖中，早於2014年第4季，分別在伺服器？工作站平台XEON E5-2600處理器(代號Haswell-EP)，搭配DDR4-2133記憶體，以及最高階桌上型電腦X99晶片組平台(High-End DeskTop；HEDT)+8核心Intel Core i7 Extreme Edition處理器。

而2015年則是在8月5日首度發表能搭配14nm Skylake微架構(LGA1151的Core i5-6600K和Core i7-6700K處理器)，以及支援20線道PCIe3.0、DMI 3.0匯流排的Z170 PCH晶片組；隨後9月1日再發表Core i5-6400/i5-6400T/i5-6500/i5-6500T/i5-6600/i5-6600T、Core i7-6700/i7-6700T共8款處理器，以及針對商用與家用市場推出的Q170、Q150、B150、H110、H170晶片組。而預定接替Skylake的Kabylake處理器，則因故宣布將於2017年第1季才會推出。

超微(AMD)於2015年5月底登場的新一代APU(代號Carrizo/Carrizo-L)，仍只支援DDR3/DDR3-L，被宣布延遲至2017年第1季才推出的新一代Zen架構處理器，才會支援DDR4。而安謀(ARM)針對伺服器市場打造的64位元Cortex-A57、Cortex-A72處理器核心，已預留對DDR4記憶體的支援，第三方IP供應商也提供了相關的DDR4 PHY IP，但目前在手機、平板電腦與連網裝置這部分，尚未有需要馬上推進到DDR4的需求浮現。

NAND Flash萬丈容量平地起

以浮閘式(Floating Gate)電路所設計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滑下，已經在智慧手機、嵌入式裝置與工控應用上大量普及。2013年，美光(Micron)與SK Hynix先後發表16nm製程的NAND Flash記憶體技術，但三星(Samsung)也在同年推出3D NANDFlash；東芝(Toshiba)於2015年跨入15nm製程，並技術遙遙領先，不過據傳日廠東芝(Toshiba)砸重金研發後，情勢一夕驟變，東芝 ... 據稱東芝的技術便於多層堆疊，但是缺點在於製程較為複雜、生產力較低。

3D堆疊製程技術也逐漸成為NAND Flash大廠新產品的主流。2013年8月，三星發布首款採用3D CTF(Charge Trap Flash)電荷捕捉技術和垂直堆疊單元結構的V-NAND Flash晶片，單一晶片可堆疊出128 Gb容量；2015年8月再次宣布第三代3bit V-NAND晶片推出，以16nm製程、48層3-bit MLC堆疊的快閃記憶體晶片，單顆容量高達256Gb(32GB)。

SK海力士、美光(Micron)、英特爾(Intel)陣營也明確宣告各自的3D-NAND Flash藍圖，並於2016年第2季量產。東芝預定在2016年第3季生產64層NAND Flash。眾多廠商推出3D堆疊NAND技術產品，將促使市場SSD固態硬碟容量一舉突破2GB，大幅拉近與傳統硬碟的單位儲存成本差距。

NAND面臨快閃  ReRAM PCM MRAM誰是接班人

業界正觀察一些取代NAND Flash的記憶體技術，如鐵電記憶體(Ferroelectric RAM；FeRAM)、磁阻記憶體(Magneto Resistive Memory；M-RAM)、相變記憶體(Phase-Change Memory；PCM)與電阻記憶體(Resistive Memory；ReRAM)等，尤其以ReRAM、PCM已蓄勢待發，即將邁向商業量產門檻之際。

FeRAM鐵電記憶體於1988年由Ramtron發表，它以鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電材料的電容器搭配一個電晶體(1C+1T)形成細胞電路，儲存電荷即便去除外加電場，電容仍可維持半永久的極化。2005年德儀曾參與Ramtron開發，並先後授權富士通、Panasonic等廠商。FeRAM但容量密度低導致其成本過高、應用受限，在2009年容量停滯在128Mb之後就上不去，Ramtron公司也在2012年被Cypress半導體購併。

MRAM磁阻記憶體技術以雙鐵電元件記錄相對磁場極性變化。主要供應商為飛思卡爾(FreeScale)半導體(隨後獨立出Everspin公司)。由於儲存容量與成本無法快速下降，在2009年停留在64Mb之後，後續將轉向第二代SST-MRAM(Spin-transfer torque磁電矩記憶體)記憶體的研發。

PCM相變記憶體以硫系玻璃，經電阻加熱時產生的不同結晶狀態來記錄寫入位元資訊。其特點在於抹寫耐用次數提高到1千萬到1億次不等，讀寫速度比NAND Flash還快，讀取速度進逼DRAM的水準，但缺點在於高溫敏感性，抹寫速度比ReRAM還慢且更費功耗(寫入電阻加熱)。目前主要供應商為Numonyx、美光與三星電子(Samsung Electronics)。

ReRAM電阻記憶體技術利用金屬夾層在設定電流脈衝時，會固定住通過的電阻值的記錄原理，從1958年被發現後停滯一段時日時間；到2008年自然期刊一篇新電阻記憶體材料的論文，吸引業界重啟研究之路。

2010年惠普(HP)與海力士(Hynix)合作開發ReRAM，2011年9月台灣工研院發表自行研發的ReRAM操作特性報告，指出其具備進逼DRAM/SRAM的10？50ns讀寫速度，達千萬次以上的抹寫耐用度。2014年初美光與新力發表採27nm CMOS製程的單顆16Gb(2GB) ReRAM晶片，採用碲化銅(CuTe)材料，實際讀取、寫入效能達1GB/s、200MB/s，抹寫耐用度提升到一億次。

目前ReRAM記憶體技術記錄上，特定電壓下調校下寫入次數可突破3,440億次，但裝置會隨周遭溫度提高而出現阻值漂移與雜訊，目前還無法以27nm以下的細微線寬？製程製作(會有電阻切換效應不明顯的狀況)；還有相對於DRAM或儲存裝置被要求的10的15？18次方分之一的無法修正錯誤率(即10？1,000萬億次讀寫只能有1個位元的無法修正錯誤)相比仍然力有未逮。

2015年7月9日英特爾與美光共同發表非揮發性記憶體晶片3D XPoint，官方指出其讀寫速度可達NAND Flash的100倍、密度將比DRAM 高出10倍，大幅降低CPU與資料之間的延遲，抹寫耐用度也比NAND Flash提升了1,000倍。雖然英特爾、美光都不願正面回應其3D Xpoint記憶體技術的具體細節，據信所採用的不外乎是電阻式記憶體、PCM相變記憶體，或者採取兩者融合的變形技術，輔以類似3D NAND的立體堆疊技術，目前被規劃為高階SSD的應用。

ReRAM、PCM等新型態NVM，會先從速度不求極快(200MHz？1GHz)的嵌入式系統開始作為NAND甚至DRAM的替代選擇；當未來CPU對ReRAM/PCM的錯誤即時修正能力，及平均抹寫(Wear-Leveling)技術進化下，預計下一世代(2020年)，ReRAM或PCM即將成為DRAM/NAND Flash的終結者，成為新世代NVM的最佳接班人。