存储技术的现状与未来

存储技术的现状与未来

     （华强电子世界网讯） 存储器在最近这几年随着便携式产品的发展，有了许多不同的面貌与空间，在终端产品轻、薄、短、小的要求之下，半导体存储技术自然脱颖而出。
    
     高科技产业之所以兴盛，相当重要的原因之一便是数字技术所具有的存储和拷贝功能，我们在将复杂的模拟信号转换为简单的数字信号时，由于只有0和1的信息，因此在存储数据的时候，只要把具有正负两种特性的物质加以利用就可以了，最明显的就是利用磁性物质的磁场做成的硬磁盘。
    
     目前数字存储技术主要分成三种：磁式、光电式和半导体式，本文主要探讨的是半导体式的储存技术，不过半导体存储技术基本上又分为挥发性(Volatile)与非挥发性(Non-volatile)两种，挥发性存储器技术较为成熟，也是目前半导体存储技术的主流，包括DRAM、SRAM等都是；而非挥发性存储器技术包括过去的掩膜ROM、EPROM、EEPROM、Flash(快闪)、以及新兴的FRAM(铁电存储器)、MRAM(磁性存储器)与OUM(相变存储器)等。
    
     所谓挥发与非挥发的差别在于挥发性存储器在电性消失后，存储的数据便消失，但是非挥发性存储器在电性消失后，仍然能够将数据保存下来，近年来由于便携式电子产品的发展，磁式和光电式的存储元件无法满足轻、薄、短、小的要求，所以半导体存储技术尤其是非挥发性存储技术的成长相当迅速。
    
     本文讨论的范围将锁定在新兴的非挥发性存储器技术领域，针对未来信息市场的发展趋势，非挥发性、存取速度快、成本低、制程简单、数据存储密度高、耗电量低和可无限擦写等特性，是未来存储器技术所必须具备的要点，目前的状况是没有任何一类存储器技术可以完全达到上述要求，所以针对不同的状况采用不同的存储器。
    
     如果单一存储器技术具备所有的特性，那何必需要这么多种存储器形式，尽管这个堪称“梦幻存储器”的技术还未出现，就现实环境来说或许也不可能由单一存储器主宰整个存储市场，不过上述特性可以说是未来存储器技术努力的方向，以下将就几个具发展潜力的技术作一探讨。
    
    

    
     Flash是目前非挥发性存储器技术的主流，根据业界估计，2003年全球Flash存储器的市场产值将从2002年的77亿美元，增长到130亿美元，到2007年更将增长到430亿美元的规模，到2004年Flash市场产值就会与DRAM旗鼓相当，2006年时产值就将超越DRAM。
    
     Flash的架构大致上可分为具程序执行能力的NOR架构以及储存数据的NAND和AND架构，Flash与其它新兴非挥发性技术相较，最大的优势在于其可以用一般的半导体制程生产、成本低，但是其读写速度较DRAM慢，可擦写次数也有极限，加上在进入纳米制程之后，预期将会碰到物理极限，据业界人士表示Flash在45nm以下几乎不可能再有发展，所以尽管在短期内Flash依然会是非挥发性存储器主流，但地位可能不见得稳固。
    
    
    
     NOR Flash市场目前由Intel和AMD公司主导，其主要功能是程序的储存，如PC中的BIOS，便携式产品像手机、PDA的快速成长是带动近年来NOR Flash快速成长的主要原因，除了量的提升之外，也包括了高容量产品的需求。NOR Flash尽管近两年成长不如NAND Flash，但是两者原本的市场应用要求就不同，NOR Flash因为新兴应用所带来的成长还是相当可观。
    
     在技术上，Intel不久前才发表1Gb的NOR Flash产品，为增加资料储存密度，Intel利用MLC(多重单元)技术，在一个储存单元存放两位数字(2bits in 1cell)。日前AMD也表示要发展密度更高的(每单元存放四位数字)技术，不过技术难度就困难许多，目前还未看到实际成绩。
    
    
    
     以储存数据为主要功能的NAND和AND Flash，是目前市场上最当红的存储器，近两年来的新兴应用都以此技术为主，包括小型存储卡、随身电子盘等都是。根据IDC公司的调查报告指出，快闪存储卡的全球市场规模随着便携式产品的成长而出现爆发性的需求，2001年整体市场出货量为4500万片，2002年提升到5300万片，2003年再成长到7000万片左右，2004年将突破1亿片的市场规模。
    
     不过由于NAND Flash相对上属于封闭的市场，专利权掌握在少数厂商手中，以Toshiba和Samsung公司为主，SanDisk和M-System公司也取得部分专利和技术授权，包括拥有AND Flash专利的Renesas公司，目前数据型的Flash产能缺口大约在30％~50％之间，此情况预计在2004年中期之间才有可能缓解。而专利权的限制也造成其它厂商无法插手的情况，这也是许多厂商目前积极投入新兴非挥发性存储器技术研发的原因之一。
    
     在技术方面，数据型Flash为提高数据存储密度，也发展MLC架构；另外，Samsung日前也发表70nm制程4Gb的NAND Flash产品，尽管业界预估Flash在进入65nm之后就会出现瓶颈，45nm制程几乎就是无法突破的瓶颈，但是，在新兴的技术成熟之前Flash依然是市场最佳的选择，而且纳米级的产品要迈入量产还有一段时间，在制程进展到65nm之前，技术的再突破并非不可能，对Flash可能被完全取代的看法并不切实际。
    
    
    
    
    
     FRAM(Ferroelectric RAM)铁电存储器的耗电量极低，可擦写次数也无限大，FRAM的架构为Perovskite结晶，最能代表铁电存储器的薄膜材料为PZT，位于结晶中心的锆和钛的原子会随外部的电场变化位置，即使除去电性也能维持，FRAM是目前新兴的非挥发性存储器当中最早商品化的技术，Symetrix和Ramtron公司拥有大部分的专利技术。
    
     不过，尽管该技术已经问世几年，但与主流非挥发性存储器相较，FRAM还没有足够的价格竞争力，原因在于其特殊制程在成品率上仍旧难以掌控，目前FRAM的容量为256Kb，根据Ramtron的技术发展蓝图，04年将推出1Mb的产品和制程推进到0.18mm，2005年再推进到0.1mm；除此之外，架构上也从1T1C架构变成堆栈式的1T1C架构，预计2005年时成本将降到2001年时的7％左右，市场竞争力将大幅提升。
    
     另外，FRAM由于在高密度的发展上不甚顺利，所以目前许多厂商都先由嵌入式应用切入，例如IC芯片卡，此类产品需求的存储单元不大，但是FRAM的低耗电特性却可以与其相得益彰，所以各类嵌入式应用或许会成为FRAM未来主要的应用市场。
    
    
    
     MRAM(Magneto-resistive RAM)磁电阻式存储器的技术原理简单的说就是利用电阻在磁场下的变化，磁电阻变化的比例越高，代表存储元件的电子外围发展技术越简单并更具市场竞争性。事实上MRAM早在1980年代就运用于军事和太空用途，由于导弹在发射时和在外层空间的强大辐射环境下，一般半导体式存储器皆会失效，MRAM以磁性物质来存储数据，因此具有非挥发性和高度的抗辐射性。Honeywell公司在1980年代发表第一代的MRAM是以磁各向异性(AMR)材料技术为主，但磁电阻变化只有2％左右，因此制程成本高而不具商业市场竞争力。让MRAM迈入商业化应用之路是1988年巨磁电阻(GMR)的发现及其后穿隧式磁电阻(Tunneling MR)技术更趋成熟，前者的变化率约10％，而后者可达60％左右。
    
     纵观目前记录媒体的物理读写机制可以发现，当记录密度达1000Gb/in2以上时，只有磁的读写物理极限还存在，MRAM因为采用磁性材料为记录媒体，理论上有更高的记录密度，而且读和写是用与DRAM相类似的机构，因此不像需要读写头的硬盘机来得复杂和精密。另外，当纳米或次纳米制程技术成熟时，体内自旋电子技术也随之成熟，而MRAM是自旋电子科技中的一部份。
    
     就目前所有技术的客观条件来说，MRAM是最接近终极存储器的理想，虽然2004年Motorola会有4 Mb MRAM的产品问世，但从技术成本和市场成熟度来看，MRAM至少还需要4~5年的时间发展才会占一席之地。
    
     目前MRAM技术最为成熟的应该算是Motorola，该公司2003年底发表了4Mb的MRAM样品，2004年就可以进入量产；另外，联邦半导体，早在2、3年前就已经有1Mb产品，但该公司乃唯一用类自旋阀材料在其产品上，目前多数厂商采用制程更困难的穿隧式磁电阻材料，因为这是达到高体积容量密度的必然技术架构。另外，包括IBM、Infineon、ST和部分日本厂商均有投入。
    
    
    
     OUM(Ovonic Unified Memory)相变存储器是由Intel所提出的非挥发性存储器技术，目前发展的状况还停留在实验室阶段，其原理是利用Ge、Sb、Te等硫系化合物为材质的薄膜来存储资料，数据存储方式类似CD-ROM，利用温度造成的相位变化来存储数据，虽然其发展的进度较慢，投入的厂商也不多，但是由于Intel的支持，OUM也成为市场上相当受关注的新兴非挥发性存储器技术之一。
    
     OUM的优点在于产品体积较小、成本低、可直接复写且制程简单，也就是在写入数据的时候不用将旧有数据擦除，制程与现有半导体制程相近，惟读写速度和次数不如FRAM和MRAM；另外，如何稳定维持其驱动温度也是一个技术发的重点。对于OUM目前的进度，Intel表示，2004年初将会发表关于OUM技术的最新消息。
    
     除了上述的存储器技术之外，还有一种PFRAM(聚合铁电存储器)又名塑料存储器的技术；也有厂商利用纳米晶体技术来开发下一代非挥发性存储器，只是先前所提及的非挥发性存储器技术，除了Flash已经是成熟的技术之外，都还需要一段发展的时间，目前也只有资源较为丰富的大厂有能力以压宝的方式抢先占位。
    
    
    
     从多角度来看存储器或存储元件，不难发现它是逻辑元件与感测元件之间的一种媒介，所以必须具有随机存取的存储功能才能支持系统间各种运算与处理的作业；但是当作业完成后还要具有写入存储的功能，以便把结果记录下来，并作为下一次处理的依据，所以从长远动态的时间性来看，储存元件仍是另一类型态的随机存取媒介。
    
     如果把存储器分成挥发性和非挥发性两种，显然运算处理中的系统并不需要太考虑断电时存储是否挥发掉，而必须以处理的速度和容量为主要考量。当数据量越来越庞大，越来