行動記憶體產品應用需求,將超越一般型記憶體

作者 | 發布日期 2015 年 12 月 21 日 9:13 | 分類 晶片 , 零組件 follow us in feedly

最近中國紫光集團陸續投資台灣力成、矽品等公司,引起社會不少討論。中資目標其實不只台灣公司,之前也包括想購併美國美光(Micron)及合資南韓海力士(Hynix)公司,唯都遭美韓兩公司婉拒。美光與海力士的共通點均為生產動態隨機存取記憶體(DRAM)大廠,加上邀請了南亞科前總經理助陣,發展 DRAM 事業明顯,足以證明 DRAM 在整個半導體業的重要性。DRAM 在整個電子產品中主要扮演儲存角色,不只常見於個人電腦、個人行動裝置(手機、平板電腦)中,穿戴裝置以及未來物聯網(IoT)都將處處可見它的存在。




儲存數位資訊的角色,在早期大型電腦時代由磁蕊扮演,後來 IBM 工程師 Robert Dennard 發明動態隨機儲存記憶體(DRAM)。相較於靜態隨機存取記憶體每單位通常需要 6 個電晶體,DRAM 只需要 1 個電晶體與 1 個電容即可以完成。在成本效益比較下,對於高容量的需求應用皆使用 DRAM。但節省成本的代價,就是 DRAM 需要不斷更新(refresh)電容內的資訊,在電子裝置待機時(特別是行動裝置)時的功率消耗(Power Consumption)較大。有些行動裝置目前延長待機時間的方法,就是在裝置進入待機狀態時,先將目前 DRAM 的內容全部複製到快閃記憶體(Flash),再把 DRAM 整個關掉即可,不需消耗電源。

 

DRAM 架構更新來自更深管線化技術

如前面所述,DRAM 電容會不斷有漏電流(Leakage Current)產生,以致流失原先的內容,需要不斷刷新內部的電容資訊。如果以 DRAM 製程而言,延長刷新時間即可減少功耗。其中又可分為兩項:增加電容容量與減少漏電流。增加電容可以以堆疊式(現行方式)或是溝槽式,使用高介電值材料也是一種提高單位電容值方式。減少漏電流近年來常見採用鰭式電晶體(FinFET)控制。目前的行動裝置因為特別重視待機時間,故製程常特製 Lower Power(LP)版本,LP 製程版本通常會最佳化閘、源極等控制單元以達到最小的漏電流。

DRAM 主要架構可分為兩類:儲存陣列(Array)與周邊電路。儲存陣列除了陣列外另包含列(Row)與欄(Column)位址電路,從 DRAM 技術發展以來,陣列的進步主要如前段所述為儲存電容架構改善,但對存取時間並沒有顯著的進步。主要對於頻寬(Bandwidth)或是產量(Throughput)的改善來自於周邊電路技術發展。從 Page mode 技術誕生後,利用管線化(Pipeline)方式與存取資料具有臨近區域(Locality)特性,爆發性(Burst)方式連續存取。新的管更深線化技術紛紛提出,包含了 EDO、SDRAM、DDR SDRAM。

 

行動記憶體隨著應用爆發成長

近年來由於個人行動裝置(手機與平板電腦)持續發展超越桌上型電腦。手機內的應用除了 2000 年以前的純通話需要,慢慢加入拍照、錄影,最後到上網的智慧型手機功能,由於功能越來越複雜,對於 DRAM 頻寬、容量的需求以及待機的需要也日益增加,手機內所使用的行動記憶體(Mobile DRAM)也從 2000 年前的 SRAM,進步到使用 Pseudo SRAM(Cellular DRAM),到現在的 Low Power DDR 世代。LPDDR 與 DDR 最大的差別就是無須使用 Delay Locked Loop(DLL)單元,由於 LPDDR 不像用於 PC 應用的 DDR 使用 DIMM 有很多的 DQ,無需 DLL 不斷去校正時序來解決 Skew(扭曲問題),可大幅延長待機時間。目前產業上眾公司對於行動記憶體的興趣已經超過 PC 用的 Commodity(一般型)記憶體。

根據不同的應用模式,DRAM 的封裝以及周邊應用電路方式也不同,相較於 PC 以擴充為目地,需要 DIMM 做為可插拔的模組所採用 BGA 封裝,像智慧手機等使用行動記憶體則會以 Package on Package(POP)方式或是用與其他晶片一起封裝 Silicon in Package(SIP)方式,隨著 3D IC 的發展以及 PC 的式微,POP 或是 SIP 封裝將會越來越多。而行動記憶體也將不限於只應用在個人行動裝置,減少功耗減能減碳是未來重要趨勢,即使是汽車有較大的裝置體積,對於減少功耗也是列為重要研究項目,故行動記憶體將越來越重要。

 

DRAM 產業變化從美到韓

自從 IBM 發明 DRAM 之後,80 年代前主要生產 DRAM 公司為美商。其中又以 Intel、TI(德州儀器)公司為 DRAM 主要生產者,80 年代後日本廠商紛紛崛起,包含 Toshiba、Hitachi、NEC、Panasonic 等,90 年代後台灣與南韓開始進入 DRAM 市場。到了 2000 年以後,日本將許多公司的 DRAM 部門合併成爾必達(Elpida),但最後仍不敵金融海嘯而被美光(Micron)購併,包含之前退出的歐洲僅剩的奇夢達(Qimonda),到了今日只剩三星(Samsung)、海力士以及美光三雄鼎立。這 3 家囊括了全球 DRAM 市場 90% 以上。如果以專為智慧型手機應用處理器(AP)高容量(4Gb)以上種類,此 3 家(以國家區分即為美韓兩國)市佔率更是高達 100%,這也是美國國家安全單位會介入紫光購併案的原因。

 

記憶體應用種類越來越多

雖然 DRAM 從 80 年代前全球超過 20 家公司製造,到現在只剩主要三大家寡佔,但其應用種類卻從主要 PC 類擴及消費性電子(如 iPod)、手機、平板電腦、穿戴裝置(Apple Watch),現在越來越多強調智慧汽車、無人駕駛車對於 DRAM 的需求也越來越高。DRAM 出現在人類生活物品中的情形只會越來越多。除了現有 DDR、LPDDR 以及 GDDR 之外,目前眾多公司也有研發新型記憶體型態用來取代 DRAM 甚至 Flash,例如 RRAM 或是 PCRAM 等,最近 Intel 與美光大動作宣傳的 3D Cross Point 即為一例,未來記憶體技術應用也必將持續蓬勃發展。

(首圖來源:達志影像

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