行动记忆体产品应用需求,将超越一般型记忆体

  • 2020-08-03
行动记忆体产品应用需求,将超越一般型记忆体

最近中国紫光集团陆续投资台湾力成、硅品等公司,引起社会不少讨论。中资目标其实不只台湾公司,之前也包括想购併美国美光(Micron)及合资南韩海力士(Hynix)公司,唯都遭美韩两公司婉拒。美光与海力士的共通点均为生产动态随机存取记忆体(DRAM)大厂,加上邀请了南亚科前总经理助阵,发展 DRAM 事业明显,足以证明 DRAM 在整个半导体业的重要性。DRAM 在整个电子产品中主要扮演储存角色,不只常见于个人电脑、个人行动装置(手机、平板电脑)中,穿戴装置以及未来物联网(IoT)都将处处可见它的存在。

储存数位资讯的角色,在早期大型电脑时代由磁蕊扮演,后来 IBM 工程师 Robert Dennard 发明动态随机储存记忆体(DRAM)。相较于静态随机存取记忆体每单位通常需要 6 个电晶体,DRAM 只需要 1 个电晶体与 1 个电容即可以完成。在成本效益比较下,对于高容量的需求应用皆使用 DRAM。但节省成本的代价,就是 DRAM 需要不断更新(refresh)电容内的资讯,在电子装置待机时(特别是行动装置)时的功率消耗(Power Consumption)较大。有些行动装置目前延长待机时间的方法,就是在装置进入待机状态时,先将目前 DRAM 的内容全部複製到快闪记忆体(Flash),再把 DRAM 整个关掉即可,不需消耗电源。

DRAM 架构更新来自更深管线化技术

如前面所述,DRAM 电容会不断有漏电流(Leakage Current)产生,以致流失原先的内容,需要不断刷新内部的电容资讯。如果以 DRAM 製程而言,延长刷新时间即可减少功耗。其中又可分为两项:增加电容容量与减少漏电流。增加电容可以以堆叠式(现行方式)或是沟槽式,使用高介电值材料也是一种提高单位电容值方式。减少漏电流近年来常见採用鳍式电晶体(FinFET)控制。目前的行动装置因为特别重视待机时间,故製程常特製 Lower Power(LP)版本,LP 製程版本通常会最佳化闸、源极等控制单元以达到最小的漏电流。

DRAM 主要架构可分为两类:储存阵列(Array)与周边电路。储存阵列除了阵列外另包含列(Row)与栏(Column)位址电路,从 DRAM 技术发展以来,阵列的进步主要如前段所述为储存电容架构改善,但对存取时间并没有显着的进步。主要对于频宽(Bandwidth)或是产量(Throughput)的改善来自于周边电路技术发展。从 Page mode 技术诞生后,利用管线化(Pipeline)方式与存取资料具有临近区域(Locality)特性,爆发性(Burst)方式连续存取。新的管更深线化技术纷纷提出,包含了 EDO、SDRAM、DDR SDRAM。

行动记忆体随着应用爆发成长

近年来由于个人行动装置(手机与平板电脑)持续发展超越桌上型电脑。手机内的应用除了 2000 年以前的纯通话需要,慢慢加入拍照、录影,最后到上网的智慧型手机功能,由于功能越来越複杂,对于 DRAM 频宽、容量的需求以及待机的需要也日益增加,手机内所使用的行动记忆体(Mobile DRAM)也从 2000 年前的 SRAM,进步到使用 Pseudo SRAM(Cellular DRAM),到现在的 Low Power DDR 世代。LPDDR 与 DDR 最大的差别就是无须使用 Delay Locked Loop(DLL)单元,由于 LPDDR 不像用于 PC 应用的 DDR 使用 DIMM 有很多的 DQ,无需 DLL 不断去校正时序来解决 Skew(扭曲问题),可大幅延长待机时间。目前产业上众公司对于行动记忆体的兴趣已经超过 PC 用的 Commodity(一般型)记忆体。

根据不同的应用模式,DRAM 的封装以及周边应用电路方式也不同,相较于 PC 以扩充为目地,需要 DIMM 做为可插拔的模组所採用 BGA 封装,像智慧手机等使用行动记忆体则会以 Package on Package(POP)方式或是用与其他晶片一起封装 Silicon in Package(SIP)方式,随着 3D IC 的发展以及 PC 的式微,POP 或是 SIP 封装将会越来越多。而行动记忆体也将不限于只应用在个人行动装置,减少功耗减能减碳是未来重要趋势,即使是汽车有较大的装置体积,对于减少功耗也是列为重要研究项目,故行动记忆体将越来越重要。

DRAM 产业变化从美到韩

自从 IBM 发明 DRAM 之后,80 年代前主要生产 DRAM 公司为美商。其中又以 Intel、TI(德州仪器)公司为 DRAM 主要生产者,80 年代后日本厂商纷纷崛起,包含 Toshiba、Hitachi、NEC、Panasonic 等,90 年代后台湾与南韩开始进入 DRAM 市场。到了 2000 年以后,日本将许多公司的 DRAM 部门合併成尔必达(Elpida),但最后仍不敌金融海啸而被美光(Micron)购併,包含之前退出的欧洲仅剩的奇梦达(Qimonda),到了今日只剩三星(Samsung)、海力士以及美光三雄鼎立。这 3 家囊括了全球 DRAM 市场 90% 以上。如果以专为智慧型手机应用处理器(AP)高容量(4Gb)以上种类,此 3 家(以国家区分即为美韩两国)市佔率更是高达 100%,这也是美国国家安全单位会介入紫光购併案的原因。

记忆体应用种类越来越多

虽然 DRAM 从 80 年代前全球超过 20 家公司製造,到现在只剩主要三大家寡佔,但其应用种类却从主要 PC 类扩及消费性电子(如 iPod)、手机、平板电脑、穿戴装置(Apple Watch),现在越来越多强调智慧汽车、无人驾驶车对于 DRAM 的需求也越来越高。DRAM 出现在人类生活物品中的情形只会越来越多。除了现有 DDR、LPDDR 以及 GDDR 之外,目前众多公司也有研发新型记忆体型态用来取代 DRAM 甚至 Flash,例如 RRAM 或是 PCRAM 等,最近 Intel 与美光大动作宣传的 3D Cross Point 即为一例,未来记忆体技术应用也必将持续蓬勃发展。



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