风驰又电掣 刹那即永恒－高速高容量存储器芯片发展趋势

英特尔藉由14nm Skylake处理器平台加大DDR4普及的力道。Source: Intel

2014年下半DDR4进驻英特尔工作站及高端桌上型电脑平台，2016第1季搭着14nm制程的Skylake处理器平台的顺风车而成为主流；虽然NAND Flash快闪存储器已跨入1z纳米制程、TLC与3D堆叠技术制程，却即将面临到百千倍速的读写速度与耐受度的电阻存储器(ReRAM)、相位存储器(PCM)的威胁，甚至进而取代DRAM而颠覆整个电脑？嵌入式系统运作架构与产业生态…

DDR4加速普及  2017年超越DDR3成为主流

处理器(CPU)、绘图芯片(GPU)运算效能随摩尔定律而飞快进展，加上云端运算、装置虚拟化与物联网的浪潮的推波助澜，存储器大厂仍持续驱动动态存储器(Dynamic RAM；DRAM)的规格进化。2014年第3季英特尔(Intel)邀集存储器大厂美光(Micron)、三星(Samsung)、海力士(Sk Hynix)等推动DDR4存储器技术。

DDR4藉由较高的内部时脉驱动与内建VDDQ终端电阻设计与设计，计划传输速率上限来到4,266Mbps，是当前最高速DDR3-2133传输速率的一倍，而DDR4运作电压仅1.2V，比DDR3的1.5V低了至少20%，也比DDR3L的1.35V还低，更比目前x86 Ultrabook/Tablet使用的低功耗LP-DDR3的1.25V还要低；加上DDR4具备深节电技术(Deep Power Down)，进入休眠模式时只须更新单一存储器颗粒(甚至无须更新)，减少35？50%的待机功耗。

Bank数也倍增至16个(x4/x8)或8个(x16/32)，这使得采x8设计的单一DDR4存储器模块，以单颗8Gb DRAM颗粒计算，单只DDR4 DIMM容量上限可达到16GB容量。同时另外定义了低脚位数的Wide I/O界面封装，来提升DRAM存储器单位容量与带宽，以强化对绘图芯片、移动设备上的应用。

SK海力士在2014年4月宣布藉助矽钻孔(TSV)技术，开发出单一DDR4芯片外观、容量达128GB。三星(Samsung)于2015年3月底首度展示针对服务器开发的Registered ECC DDR4-DIMM模块，使用18颗采20纳米制程、3D立体堆叠加矽钻孔(3D Stacks + TSV)封装技术的16Gb DDR4颗粒，单只模块容量即高达32GB，日后也预留到以相同线距制程下，以3D TSV技术做出单一64Gb DDR4颗粒，单只容量达128GB的海量DDR4存储器模块，以当前采4通道桌上型电脑、8通道服务器电脑主机板的扩充性，未来满载配置512GB甚至1？2TB存储器的电脑很快就会出现。

在英特尔平台蓝图中，早于2014年第4季，分别在服务器？工作站平台XEON E5-2600处理器(代号Haswell-EP)，搭配DDR4-2133存储器，以及最高端桌上型电脑X99芯片组平台(High-End DeskTop；HEDT)+8核心Intel Core i7 Extreme Edition处理器。

而2015年则是在8月5日首度发表能搭配14nm Skylake微架构(LGA1151的Core i5-6600K和Core i7-6700K处理器)，以及支持20线道PCIe3.0、DMI 3.0汇流排的Z170 PCH芯片组；随后9月1日再发表Core i5-6400/i5-6400T/i5-6500/i5-6500T/i5-6600/i5-6600T、Core i7-6700/i7-6700T共8款处理器，以及针对商用与家用市场推出的Q170、Q150、B150、H110、H170芯片组。而预定接替Skylake的Kabylake处理器，则因故宣布将于2017年第1季才会推出。

超微(AMD)于2015年5月底登场的新一代APU(代号Carrizo/Carrizo-L)，仍只支持DDR3/DDR3-L，被宣布延迟至2017年第1季才推出的新一代Zen架构处理器，才会支持DDR4。而安谋(ARM)针对服务器市场打造的64位元Cortex-A57、Cortex-A72处理器核心，已预留对DDR4存储器的支持，第三方IP供应商也提供了相关的DDR4 PHY IP，但目前在手机、平板电脑与联网装置这部分，尚未有需要马上推进到DDR4的需求浮现。

NAND Flash万丈容量平地起

以浮闸式(Floating Gate)电路所设计NAND Flash非挥发性存储器，随着Flash制程技术不断进化，单位容量成本不断下滑下，已经在智能手机、嵌入式装置与工控应用上大量普及。2013年，美光(Micron)与SK Hynix先后发表16nm制程的NAND Flash存储器技术，但三星(Samsung)也在同年推出3D NANDFlash；东芝(Toshiba)于2015年跨入15nm制程，并技术遥遥领先，不过据传日厂东芝(Toshiba)砸重金研发后，情势一夕骤变，东芝 ... 据称东芝的技术便于多层堆叠，但是缺点在于制程较为复杂、生产力较低。

3D堆叠制程技术也逐渐成为NAND Flash大厂新产品的主流。2013年8月，三星发布首款采用3D CTF(Charge Trap Flash)电荷捕捉技术和垂直堆叠单元结构的V-NAND Flash芯片，单一芯片可堆叠出128 Gb容量；2015年8月再次宣布第三代3bit V-NAND芯片推出，以16nm制程、48层3-bit MLC堆叠的快闪存储器芯片，单颗容量高达256Gb(32GB)。

SK海力士、美光(Micron)、英特尔(Intel)阵营也明确宣告各自的3D-NAND Flash蓝图，并于2016年第2季量产。东芝预定在2016年第3季生产64层NAND Flash。众多厂商推出3D堆叠NAND技术产品，将促使市场SSD固态硬盘容量一举突破2GB，大幅拉近与传统硬盘的单位储存成本差距。

NAND面临快闪  ReRAM PCM MRAM谁是接班人

业界正观察一些取代NAND Flash的存储器技术，如铁电存储器(Ferroelectric RAM；FeRAM)、磁阻存储器(Magneto Resistive Memory；M-RAM)、相变存储器(Phase-Change Memory；PCM)与电阻存储器(Resistive Memory；ReRAM)等，尤其以ReRAM、PCM已蓄势待发，即将迈向商业量产门槛之际。

FeRAM铁电存储器于1988年由Ramtron发表，它以锆钛酸铅(PZT)铁电材料的电容器搭配一个晶体管(1C+1T)形成细胞电路，储存电荷即便去除外加电场，电容仍可维持半永久的极化。2005年德仪曾参与Ramtron开发，并先后授权富士通、Panasonic等厂商。FeRAM但容量密度低导致其成本过高、应用受限，在2009年容量停滞在128Mb之后就上不去，Ramtron公司也在2012年被Cypress半导体购并。

MRAM磁阻存储器技术以双铁电元件记录相对磁场极性变化。主要供应商为飞思卡尔(FreeScale)半导体(随后独立出Everspin公司)。由于储存容量与成本无法快速下降，在2009年停留在64Mb之后，后续将转向第二代SST-MRAM(Spin-transfer torque磁电矩存储器)存储器的研发。

PCM相变存储器以硫系玻璃，经电阻加热时产生的不同结晶状态来记录写入位元信息。其特点在于抹写耐用次数提高到1千万到1亿次不等，读写速度比NAND Flash还快，读取速度进逼DRAM的水准，但缺点在于高温敏感性，抹写速度比ReRAM还慢且更费功耗(写入电阻加热)。目前主要供应商为Numonyx、美光与三星电子(Samsung Electronics)。

ReRAM电阻存储器技术利用金属夹层在设定电流脉冲时，会固定住通过的电阻值的记录原理，从1958年被发现后停滞一段时日时间；到2008年自然期刊一篇新电阻存储器材料的论文，吸引业界重启研究之路。

2010年惠普(HP)与海力士(Hynix)合作开发ReRAM，2011年9月台湾工研院发表自行研发的ReRAM操作特性报告，指出其具备进逼DRAM/SRAM的10？50ns读写速度，达千万次以上的抹写耐用度。2014年初美光与新力发表采27nm CMOS制程的单颗16Gb(2GB) ReRAM芯片，采用碲化铜(CuTe)材料，实际读取、写入效能达1GB/s、200MB/s，抹写耐用度提升到一亿次。

目前ReRAM存储器技术记录上，特定电压下调校下写入次数可突破3,440亿次，但装置会随周遭温度提高而出现阻值漂移与杂讯，目前还无法以27nm以下的细微线宽？制程制作(会有电阻切换效应不明显的状况)；还有相对于DRAM或储存装置被要求的10的15？18次方分之一的无法修正错误率(即10？1,000万亿次读写只能有1个位元的无法修正错误)相比仍然力有未逮。

2015年7月9日英特尔与美光共同发表非挥发性存储器芯片3D XPoint，官方指出其读写速度可达NAND Flash的100倍、密度将比DRAM 高出10倍，大幅降低CPU与数据之间的延迟，抹写耐用度也比NAND Flash提升了1,000倍。虽然英特尔、美光都不愿正面回应其3D Xpoint存储器技术的具体细节，据信所采用的不外乎是电阻式存储器、PCM相变存储器，或者采取两者融合的变形技术，辅以类似3D NAND的立体堆叠技术，目前被规划为高端SSD的应用。

ReRAM、PCM等新型态NVM，会先从速度不求极快(200MHz？1GHz)的嵌入式系统开始作为NAND甚至DRAM的替代选择；当未来CPU对ReRAM/PCM的错误实时修正能力，及平均抹写(Wear-Leveling)技术进化下，预计下一时代(2020年)，ReRAM或PCM即将成为DRAM/NAND Flash的终结者，成为新时代NVM的最佳接班人。