4大主流存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)比，誰是下世代明星

現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，存儲(chǔ)扮演不可或缺的重要的角色。2017年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值預(yù)估首次超過4,000億美元，其中原因之一是存儲(chǔ)需求大增，廠商能提高售價(jià)，2017年?duì)I收成長(zhǎng)約五成，南韓三星是最大的存儲(chǔ)供應(yīng)商，獲利最大。這波存儲(chǔ)熱潮預(yù)計(jì)被新興的需求繼續(xù)推動(dòng)，物聯(lián)網(wǎng)、穿戴式裝置、云端儲(chǔ)存和巨量資料運(yùn)算等都將成帶動(dòng)存儲(chǔ)市場(chǎng)的動(dòng)能。

目前存儲(chǔ)依儲(chǔ)存特性，以斷電后資料是否消失可分為揮發(fā)性和非揮發(fā)性存儲(chǔ)，揮發(fā)性存儲(chǔ)斷電后資料不能留存，成本較高但是速度快，通常用于資料暫存；非揮發(fā)性存儲(chǔ)存取速度較慢，但可長(zhǎng)久保存資料。

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)(SRAM)與動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)(DRAM)常被大量使用在電腦系統(tǒng)及電子產(chǎn)品中，做為資料暫存用之揮發(fā)性存儲(chǔ)。DRAM目前以PC/NB與行動(dòng)應(yīng)用為主，但在支援虛擬化、繪圖及其他復(fù)雜、即時(shí)工作應(yīng)用上也將逐年增加。DRAM從80年代前全球超過20家公司制造，目前只剩三星（Samsung）、SK海力士（SK Hynix）與美光（Micron）等三家寡占市場(chǎng)，應(yīng)用種類從主要PC類擴(kuò)及消費(fèi)性電子（如iPod）、手機(jī)、平板電腦、穿戴裝置，智能汽車、無人駕駛車對(duì)DRAM的需求也愈來愈高。

唯讀存儲(chǔ)（ROM）或可讀寫式存儲(chǔ)如傳統(tǒng)機(jī)械式硬碟（HDD）、固態(tài)硬碟（SSD）、快閃存儲(chǔ)（Flash Memory）等雖然有不同的讀寫特性，但皆是在電源被切斷后仍可長(zhǎng)時(shí)間保存資料。其中Flash的操作速度與一般硬碟相比還是比較快，所以逐漸成為主流。

Flash存儲(chǔ)的架構(gòu)和ROM可分為并聯(lián)式(NOR)跟串聯(lián)式( NAND )，并聯(lián)式快閃存儲(chǔ)(NOR-Flash)常見于主機(jī)板BIOS，串聯(lián)式快閃存儲(chǔ)(NAND-Flash)常見于一般消費(fèi)性電子產(chǎn)品，如手機(jī)、隨身碟、SSD等，NAND Flash隨著制程技術(shù)不斷進(jìn)化、單位容量成本不斷下降，已在智能手機(jī)、嵌入式裝置與工控應(yīng)用大量普及，近年來應(yīng)用于大數(shù)據(jù)資料儲(chǔ)存及愈來愈多筆記型電腦的固態(tài)硬碟需求增加，由NAND-Flash所制成的SSD有逐漸取代一般硬碟的趨勢(shì)。主要廠商為三星、東芝與SK海力士等。

DRAM及NAND Flash在特性與成本上具有互補(bǔ)性，前者每秒傳輸頻寬大、單位成本較高且消耗功率較大；后者傳輸速度慢、每單位成本較低且消耗功率低，因此兩者在市場(chǎng)與功能上有區(qū)隔性，也構(gòu)成目前存儲(chǔ)產(chǎn)品兩大陣營，因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與云端等資料爆發(fā)性成長(zhǎng)世代來臨，存儲(chǔ)不管是獨(dú)立或嵌入式，都將是系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵元件。

展望2020年時(shí)，全球存儲(chǔ)市場(chǎng)規(guī)模為795.1億美元，其中DRAM占38.9%、NAND Flash占55.1%、下世代存儲(chǔ)的占比則躍升為2.0%。

然而，由于主流存儲(chǔ)DRAM與NAND在微縮制程上已出現(xiàn)瓶頸與影響，因此找出替代性的解決方案或改變電路等，以因應(yīng)未來資料儲(chǔ)存需求，將是目前存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)最重要的議題。

開發(fā)下世代存儲(chǔ)的三大衡量標(biāo)準(zhǔn)包括成本、元件效能、可微縮性與密度等，其中成本需考量存儲(chǔ)顆粒、模組與控制電路等總體；元件效能則包含延遲時(shí)間、可靠度、資料保存耐久度等。

下世代的存儲(chǔ)，目前普遍朝向改變過去儲(chǔ)存電荷來存取資料的方式，藉由改變儲(chǔ)存狀態(tài)機(jī)制解決制程上的限制，另外，低功耗為下世代存儲(chǔ)甚至元件的共通目標(biāo)。

四大存儲(chǔ)技術(shù)PK，誰會(huì)是下世代明星？

隨著移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，對(duì)于節(jié)能的資料儲(chǔ)存與存儲(chǔ)技術(shù)需求日益增加。目前的存儲(chǔ)技術(shù)以DRAM與NAND 快閃存儲(chǔ)為主流，但DRAM的讀寫速度快無法長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存資料；NAND Flash能保存資料，但讀寫速度不佳。

同時(shí)兼具運(yùn)算、儲(chǔ)存能力的下世代存儲(chǔ)，如磁阻式存儲(chǔ)(MRAM)、電阻式存儲(chǔ)(RRAM)、3D XPoint技術(shù)與高潛力的自旋電子磁性存儲(chǔ)(STT-MRAM)等，就成為下世代存儲(chǔ)技術(shù)的新寵兒。

MRAM的技術(shù)在學(xué)理上存取速度將超越DRAM達(dá)到接近SRAM，且斷電后資料不流失，早期由Everspin公司開發(fā)，被視為下世代存儲(chǔ)技術(shù)的重要的競(jìng)爭(zhēng)者。2017年是MRAM技術(shù)爆發(fā)的一年，當(dāng)年在日本舉辦的大型積體電路技術(shù)日本舉辦的大型積體電路技術(shù)、系統(tǒng)和應(yīng)用國際研討會(huì)，格羅方德與Everspin公司共同發(fā)布有抗熱消磁eMRAN技術(shù)，具能夠讓資料在攝氏150度下保存資料，可長(zhǎng)達(dá)十?dāng)?shù)年的22納米制程的制程技術(shù)，預(yù)計(jì)2017年底、2018年投產(chǎn)。

而曾經(jīng)投入存儲(chǔ)研發(fā)生產(chǎn)，但卻不敵成本高昂而退出存儲(chǔ)市場(chǎng)的臺(tái)積電，在2017年臺(tái)積電技術(shù)論壇中，揭露已具備22納米制程嵌入式磁阻式存儲(chǔ)(eMRAM)的生產(chǎn)技術(shù)，預(yù)定2018年試產(chǎn)。

RRAM其優(yōu)點(diǎn)是消耗電力較NAND低，且寫入資訊速度比NAND快閃存儲(chǔ)快1萬倍，主要投入研究的廠商有美光、Sony、三星。

臺(tái)積電也已宣布具備生產(chǎn)22納米eRRAM技術(shù)。3D XPoint技術(shù)的主要廠商為英特爾與美光，采用多層線路構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)，并采用柵狀電線電阻來表示0和1，原理類似RRAM。

為儲(chǔ)存裝置的良好的替代品，具有比NAND快閃存儲(chǔ)快了近1,000倍，也可用于運(yùn)算速度要求低的計(jì)算應(yīng)用。

STT-MRAM是運(yùn)用量子力學(xué)的電子自旋角動(dòng)量的技術(shù)應(yīng)用，具有DRAM和SRAM的高性能且低功耗，并相容現(xiàn)有的CMOS制造技術(shù)與制程。

目前主要投入廠商有IBM與三星、SK海力士和東芝，其中IBM和三星在IEEE發(fā)布研究論文表示，已成功實(shí)現(xiàn)10奈秒的傳輸速度和超省電架構(gòu)。

盡管下世代存儲(chǔ)未來有望取代部分DRAM與NAND快閃存儲(chǔ)的市場(chǎng)，甚至取代舊有技術(shù)。但是筆者認(rèn)為，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)裝置與更多的資料收集與感測(cè)需求，下世代的存儲(chǔ)技術(shù)首先將著眼于以新應(yīng)用的需求為主，如臺(tái)積電鎖定的嵌入式存儲(chǔ)，并充分發(fā)揮運(yùn)算與儲(chǔ)存二合一的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步微縮大小，達(dá)到元件更高的市場(chǎng)滲透率。

但是若從廠商動(dòng)態(tài)來看，22納米的eMRAM技術(shù)將于2018年年后逐漸成熟，并開始有大量的市場(chǎng)應(yīng)用。