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引台积电/三星/英特尔/GF竞逐 新世代存储器是什么鬼?

导读: 曾投入存储器研发生产,但却不敌成本高昂而退出存储器市场的台积电,竟然再度投入存储器产业。是什么样的技术,不但吸引台积电再次投入这块市场,更让三星、英特尔、格罗方德都已经摩拳擦掌投入,准备好一较高下了?

曾投入存储器研发生产,但却不敌成本高昂而退出存储器市场的台积电,竟然再度投入存储器产业。是什么样的技术,不但吸引台积电再次投入这块市场,更让三星、英特尔、格罗方德都已经摩拳擦掌投入,准备好一较高下了?

这个让半导体巨头纷纷投入的技术就是被称为新世代存储器的MRAM和RRAM。

MRAM和RRAM的特性为何,与DRAM、NAND(快闪存储器)相比,又有什么样的效能与成本优势?让我们从MRAM和RRAM两项技术看起。

什么是新世代存储器?

引台积电/三星/英特尔/GF竞逐 新世代存储器是什么鬼?

MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory,磁阻式随机存取存储器)是一种非挥发性存储器技术,也就是当电流关掉,所储存的资料并不会消失的存储器。

它自1990年代开始发展,这项技术在学理上的存取速度接近SRAM,具快闪存储器的非挥发性特性,在容量密度及使用寿命上也不输给DRAM,平均能耗远低于DRAM,未来极具成为真正通用型存储器潜力。

而RRAM(Resistive random-access memory,可变电阻式存储器)同样是一种新型的非挥发性存储器,其优点在于消耗电力较NAND低,且写入资讯速度比NAND快闪存储器快了1万倍。

从阶层式存储器的金字塔图来看,SRAM位于金字塔尖端,为最高端、速度最快,成本也最高的产品。

其次为主存储器的DRAM,MRAM仅次于DRAM,而RRAM则紧接其后,在RRAM之下的是NAND,从此图可以看出MRAM与RRAM的市场定位也正是介于DRAM与NAND之间。

引台积电/三星/英特尔/GF竞逐 新世代存储器是什么鬼?

高速运算、数据中心、物联网激发新世代存储器高度需求

事实上,MRAM与RRAM技术并非近年来的产物,早在1990年代,就有厂商开始投入研发,而促使新世代存储器发展在近年来露出曙光的原因,正是进入高速运算时代,存储器技术演进速度出现跟不上系统效能演进速度所导致。

随着数据的产生速度不断加快,对存储器的需求也飞速成长。从对DRAM的高速运算需求来看,在高速运算下,存储器(DRAM)与CPU间的频宽,渐成为运算瓶颈,为解决上述瓶颈,HBM、TSV、offload运算加速器成为产业研发的重心。

此外,DRAM也面临了摩尔定律发展下去的限制,说明了半导体巨擘们要积极投入新世代存储器研发生产的原因。

另一方面,SSD数据中心存储的高速IOPS需求也是业界的一大焦点,除了资料中心的高速IOPS需求外,信赖度、能耗也是重要的指标,NAND本身走到TLC虽然在价格上有优势,但却面临产品信赖度恶化的状况,目前以Page式的写入方式,让写入成为IOPS的主要瓶颈。

此外,在数据传输速度要求越来越高下,为了保证数据的正确性,SSD Controller须内建高速的Buffer,然而不论是用DRAM或是SRAM均需要额外提供电源以保障供电异常下的正常发展。

在这个前提下,新世代存储器也成为产业寄望能改善NAND问题的关键技术。

除了高速运算与数据中心的储存需求以外,物联网物端需要的非挥发性存储器,也就是即时资料储存需求,牵涉到物联网需要低能耗、数据耐久度高、每次写入或存储的资料单位小等层面。

而这三项特色导致NAND的不合适,目前更多的解决方案是采用嵌入式存储器(Embedded Memory)。

不过,就目前嵌入式存储器的发展来看,其制作流程、占用面积均仍有持续进步的空间,因此也成为新世代存储器技术的另一个切入的面向。

嵌入式产品效能更胜一筹,台积电也没缺席

尽管新世代存储器未来有望取代部分DRAM与NAND的市场,而成为业界关注的明日之星,然而,台积电重新跨进存储器产业,他着眼的并非将存储器做为单独的产品贩售,而是锁定嵌入式存储器市场。

台积电锁定的嵌入式存储器产品,可以说是新世代存储器另一个改变产业形貌的重要路线。

从目前的应用上来看,在工业、车用MCU或是物联网IC的应用中,新世代存储器有机会透过其能耗表现佳、占用面积小、发挥发性、读写速度快、操作电压低、增加的制程复杂度低等优势,进一步增加其在嵌入式市场的渗透率。

此外,嵌入式产品在效能表现上,也可望高于过去的off-chip产品,对于像是台积电、联电、格罗方德等晶圆代工厂来说,提供嵌入式存储器产品,除能扩张产品线与提供客户更多的支持外,并能做为未来逻辑IC与存储器在系统架构上进一步融合的前置布局。

然而,对于三星等既有存储器厂商而言,新世代存储器的发展无疑带来发展的契机,但能预期的是,未来的竞争态势也将更为激烈。

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