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工业储存技术再进化 完美内存MRAM现身

作者:时间:2022-09-12来源:CTIMES收藏

近年来,半导体先进制程微缩趋势带动下,加上AI人工智能、5G与AIoT等科技加速推进,3C设备、智慧家电、智慧汽车、智能城市到国防航天等领域都可以应用大量芯片记录海量数据。

内存是所有微控制器嵌入式系统的主要组件,闪存(Flash)储存技术早已成为工控设备的主流配备。近年来,半导体先进制程微缩趋势带动下,加上AI人工智能、5G与AIoT等科技加速推进,3C设备、智慧家电、智慧汽车、智能城市到国防航天等领域都可以应用大量芯片记录海量数据。新一代嵌入式内存具有小体积、大容量、高效能等特性,可以满足庞大运算需求,带动前瞻内存研发能量。

新兴内存出线 MRAM最受业界期待

内存大分嵌入式和独立式NVM。Yole Developpement预测,2020-2026年间,整体新兴非挥发性内存(NVM)市场的年复合成长率约为44%,随着新兴嵌入式NVM技术显著成熟,预估2026年eMRAM市场规模为17亿美元,约占整体新兴eNVM市场的76%。独立式NVM市场预计2026年达33亿美元规模,至于独立式PCM市场在2026年可望成长达26亿美元的规模,占整体独立式内存市场的78%。内存技术研发成为兵家必争之地。

目前内存市场仍以动态随机存取内存(DRAM)与储存型闪存(NAND Flash)为主流,随着磁阻式随机存取内存(MRAM)逐渐成为市场关注焦点,eMRAM市场快速成长,主要半导体业者如台积电(TSMC)、英特尔(Intel)、三星(Samsung)、格芯(GlobalFoundries)、联华电子(UMC)等相继投入研发。

另一方面,随着半导体微缩制程技术的突破,摩尔定律不断成功被挑战,DRAM与NAND Flash也面临微缩挑战,近几年,DRAM已接近微缩极限,而NAND Flash则走向3D转型。除了体积愈来愈小,内存也面临到高速运算等技术障碍。如今的储存解决方案必须具备高速、低耗电,断电后仍可保持数据等特性,才能达到「三好」标准:成本更佳、速度更快、效能更好。新兴内存走在「三好」路上,如铁电随机存取内存 (FRAM)、相变化随机存取内存(PRAM)、磁阻式随存取内存(MRAM) 及可变电阻式随机存取内存 (RRAM) 等,其中,MRAM 最受业界期待。

若与DRAM面积2,048 nm2、SRAM面积21,000 nm2相比,MRAM的面积仅400 nm2,不用微缩已具有极佳的尺寸优势。工研院电光所副所长骆韦仲指出,新兴内存的材料、结构不同,多半维持单一特性,很难趋近完美特性。磁阻式随机存取内存(MRAM)具有可微缩至22奈米以下的潜力,拥有高读写速度、低耗电,断电后仍可保持数据等特性,成为趋近于「完美内存」的新兴内存代表,未来可以整合成先进制程嵌入式内存,广泛应用于AI人工智能、车用电子、高效能运算芯片等领域,具有极佳的发展前景。


路是无限宽广 嵌入式与独立式通用
非挥发性内存MRAM是利用高敏感度磁电阻材料所制成,储存的数据即使面临断电也不会消失,而且耗能较低,读写速度快,可以媲美静态随机存取内存 (SRAM),又比Flash速度快上百千倍。值得一提的是,MRAM的记忆容量媲美DRAM,同时具有处理与储存信息等功能,而且可以长时间保存数据,适合应用于高性能存储场域。

由于微缩制程已成业界常态,DRAM制程多停滞在1X奈米阶段,Flash在20奈米之下已转型3D制程,与DRAM、SRAM及NAND Flash等内存缩无可缩的窘境相比,娇小的MRAM有相对大的调整优势,制程可达10奈米以下。至于SRAM则有成本与能量损耗的问题需克服。

综合来说,MRAM集Flash非挥发性技术、SRAM快速读写、DRAM高集积度等特性,堪称「完美内存」,甚至可能替代SRAM,未来发展备受业界期待。因此,全球IDM大厂及晶圆代工厂相继投入MRAM研发,近5年来已经开始应用于产品之上,有希望成为嵌入式或独立式通用的内存。

工研院电光所副所长骆韦仲进一步说明,MRAM与前述DRAM、NAND Flash及SRAM等内存不同,基本结构是磁性隧道结,研发难度相当高,主要可分为传统MRAM及自旋转移矩磁阻式随机存取内存(STT-MRAM),MRAM以磁场驱动, STT-MRAM采自旋极化电流驱动。各家半导体大厂近年来投入STT-MRAM研发,产生愈来愈多嵌入式解决方案,这些解决方案可以取代Flash、EEPROM及 SRAM。如三星采28奈米完全空乏型硅绝缘层金氧半晶体管(FD-SOI)制程,格芯的制程已推进至22 奈米;英特尔采用鳍式场效晶体管(FinFET)技术,推进至22奈米制程。

台积电早于2017年5月发表自行研发多年的嵌入式磁阻式随机存取内存(eMRAM)及嵌入式电阻式内存(eRRAM)技术,采用先进的22奈米制程。台积电也与台湾工研院共同开发22奈米嵌入式STT-MRAM,采用超低漏电互补式金属氧化物半导体(CMOS)技术,技术验证已完成并进入量产,朝16奈米STT-MRAM 发展,可切入下世代嵌入式内存MCU、车用电子组件、物联网及AI等领域。

今年6月,工研院与台积电正式合作开发自旋轨道扭矩磁性内存(SOT-MRAM)数组芯片。SOT-MRAM(Spin Orbit Torque Magnetoresistive Random Access Memory)技术能在低电压、电流下,达到0.4奈秒的高速写入,同时具备7兆次耐受度,比欧洲最大半导体研究机构—比利时微电子研究中心高出百倍之多,同时具有超过10年的数据储存能力。相关技术未来可以整合成先进制程嵌入式内存,投入AI人工智能、车用电子、高效能运算芯片等领域。


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图2 : 工研院与台积电共同开发自旋轨道扭矩磁性内存(SOT-MRAM)数组芯片。(source:工研院)

除了与业界合作,工研院也与阳明交大合作研发工作温度横跨近400度的磁性内存技术,相关技术发表于国际超大规模集成电路技术研讨会。

骆韦仲表示,新兴磁性内存高效能运作技术可以提高内存写入速度、缩短延迟、降低写入电流与增高使用次数,实验证实,可以在127度到零下269度范围内具有稳定、高效能的数据存取能力,横跨400度温度的稳定存取能力,代表未来在量子计算机、航天领域等前瞻应用与产业方面极具发展潜力,有助强化台湾在半导体产业的世界地位。

短期内,DRAM与NAND Flash仍将居于内存市场主导地位,但随着三星、台积电等大厂先后投入MRAM内存产品研发,有助内存技术更新,一旦MRAM成本逐步下降,势必提升市场普及率,成为未来新主流。

储存解决方案SOFA
储存技术与前述内存技术优劣息息相关。过去,工控系统的储存装置容量不一定要大,但要够稳定,否则故障发生时,有可能导致整体系统停摆,甚至生产线停机,损失重大。近几年随着工业计算机的应用快速发展,储存技术也渐趋多元,除了需要大量储存、机房环境较为理想的安全监控外,HDD硬盘较少受到青睐。

工研院资通所组长卓传育指出,以储存设备来说,仍以软件为核心,重视储存系统快速扩充、高弹性储存架构及高储存/传输效率等面向。先进的存储技术使用flash内存,其他功能多半是记忆与及时运算,相关的高阶应用多与云端服务业者有关,如Google、微软(Microsoft)、亚马逊(Amazon)等业者使用的存储技术通常较为高规,但高科技存储设备并不是很普及。从制造业来看,如影音、照片等数据比较需要快速存取与传输,不够快就会有延迟问题,不过,发展较快速的企业可能透过开源技术改进既有设备与存储技术,调整储存架构、设计就可以符合使用需求,或者也有业者采购高技术storge解决问题。

随着云端运算、人工智能、物联网(IoT)及5G技术的加入与催化,存储需求不再限于Google等云端业者。由于工控设备必须因应环境与功能需求做出差异化设计,储存装置也必须贴合需求,除了客制化,小型化也成为的趋势之一。固态硬盘(SSD)具有体积小、效率高、低噪音等优势,成为硬盘市场的新主流。

近年来,工研院将研发能量聚焦于云端储存同步系统,并透过内存式数据处理技术,让档案处理速度加快为传统数据库的八倍。以工研院研发的全快闪储存数组管理技术(Software Orchestrated Flash Array;SOFA)为例,主要功能在于聚合一台服务器上所有的快闪磁盘空间,以及读写能力,汇聚成一个拥有大容量且速度极快的储存池,可于一般通用硬件上提供超过100万次输出入(IOPS)的数据访问速度。用户可以单颗磁盘使用储存池,或透过虚拟磁盘管理功能,依照用户需求建构虚拟磁盘,不同用户或不同应用程序都可以共享该储存池。

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图3 : 全快闪储存数组管理技术(SOFA)。(Source:工研院)

SOFA内建RAID 5/6及快照的保护功能,有助数据保护,在提供保护的同时,仍旧维持一百万IOPS的效能,同时达到软硬件所需CPU资源分配优化及自动化分配。此外,SOFA还搭配背景压缩及去重复等功能以节省空间,适合需要高速读写效能的应用程序,如数据库应用程序(MySQL,Oracle)、高效能运算(HPC)、虚拟桌面(VDI)等。

随着AI人工智能与企业云端储存市场渐趋成熟,SOFA提供另一种管理闪存磁盘阵列的软件解决方案,可以在一般硬件平台上,透过网络对外提供高效能储存服务。闪存磁盘阵列服务器可藉由SOFA提升存取效能,在完善配置条件下,服务器透过网络对外提供4KB区块的随机访问速度,支持以RAID5集合磁盘阵列,并突破传统RAID5的效能瓶颈,提升10倍的读写效能,透过跨磁盘的平均抹写技术(Global Wear Leveling),可以延长整个磁盘阵列的平均寿命达2倍。


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图4 : 超高速长效全快闪储存数组管理技术可于一般通用硬件上提供超过1百万IOPS的数据访问速度。(source:工研院)

中国台湾优势:从逻辑制程切入
在内存与技术研发领域中,仍是全球半导体大厂的天下,除了台积电、联电、旺宏等少数电子业者,中国台湾业者可以切入的领域不多。不过,工研院电光所副所长骆韦仲认为,嵌入式内存与逻辑制程有关,而中国台湾在逻辑制程方面居于领先地位,可以切入与逻辑兼容或具有共通性的制程,找寻逻辑制程可以微缩的利基,或者从调整架构、材料、成分做起,如果可以做出特别的嵌入式内存,对中国台湾半导体产业地位来说,加分很大。

内存有很多不同架构,大家都在寻找「最完美内存」,现在已经有前述几种新兴内存在某些领域量产,但还需要进一步探勘,骆韦仲认为,中国台湾优势不只有逻辑,还有内存、封装,先进制程也很成功,「未来不会只针对单一组件,而是强调系统整合概念,这种系统层级的创新是台湾很大的机会。」

本文引用地址:/article/202209/438104.htm


关键词: 工业储存 MRAM

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