原创 Flash应用日趋多元　技术瓶颈待突破

 2008-11-4 22:29  1840 6 6 分类: 消费电子

内存是IT产业相当重要的组件，不过相对的身为组件的宿命，是必须倚赖应用而存在，过去内存产业仰仗PC每年成长的发展趋势，大部分半导体厂商都参与DRAM的设计生产，更把DRAM的制程微缩，做为优先其它半导体生产的项目，让DRAM微缩制程的发展，优先于逻辑或是模拟制程…

过去DRAM是IT产业的科技驱动者(technology driver)，许多半导体公司或是研发单位，都是先开发DRAM制程，然后再将其部分模块应用于其它产品制程，不过，这个发展模式随Flash Memory快速发展，业界目前反而以Flash Memory制程研发为优先。例如，目前主流Flash制程为50~40奈米，但是DRAM仅落在70~60奈米，Flash Memory制程已经领先DRAM整整1个世代，也让Flash成为了新一代的科技驱动者。

就实际应用面观察，无论是IT或是CE产业，Flash Memory的重要性确实已经超越DRAM，主要因素是DRAM虽仍是IT产品不可或缺的组件，但是Flash Memory不但是组件，更能直接成为终端产品！加上储存数字信息的需求激增，让各种储存媒体都躬逢其盛，更让能跨领域的Flash Memory储存媒介，成长劲道更为快速。

例如，多媒体手机当道，除内建Flash Memory倍增，甚至都必须外接另1块Flash Memory作为核心记忆卡，而多媒体播放机(PMP)…等多媒体装置储存需求也相当强劲。就连PC产业也正期待固态硬盘SSD成为取代硬盘的次世代储存技术，根据iSuppli研究，2007年第一季采用内建Flash Memory作为储存媒体的笔记型计算机，出货量仅14.36万台，但预估2009年第四季出货量即可达到2,400万台！

新技术解决容量问题　却又产生新技术瓶颈

当Flash Memory成为电子产业的储存要角，性能挑战与稳定要求也就更为严苛，Flash Memory与任何电子储存媒体近似，都会碰上速度与容量的技术竞争，以主流NAND Flash而言，就是SLC(Single Level Cell)及MLC(Multi Level Cell) 2大技术相互角力。理论上SLC具速度快、读写次数高、质量较稳定、耗电低…等优点，应是集优点于一身的技术，但是MLC因扩充容量容易、成本较低，结果市场需求呈现压倒技术优点，反而成为目前市场的主流技术。

既然降低成本与容量增大是目前最重视的技术关键，而目前备受关注的Flash技术为x3，即(3-bit-per-cell)技术，MLC容量扩充较易的关键即为每Cell可置入2位信息量，x3即为3位，让Flash的容量扩充更为容易。从2008下半年起，各大NAND Flash Memory厂已开始小量转进x3新技术，在同样1片12吋晶圆上，采x3技术可比一般MLC颗粒增加20%以上。

研究机构Web-Feet Research预估，自2012年起，多数NAND Flash大厂都将导入x3技术，估计市占率可达52.8%，MLC型产品届时市占将达25.4%，更新世代的x4(4-bit-per-cell)技术将占16.6%，SLC技术的占有率将逐步失手，届时会仅剩4.4%市占。

除颗粒本身，封装技术也是重点，毕竟在制程之后，想在相同尺寸芯片装入容量更大的内存容量，封装技术相当关键，主要是堆栈式封装与3D式封装，前者是将晶圆中切割出来的Flash颗粒，堆栈在一起，面积相同条件还可倍增容量，后者则是逻辑电路层将电路直接进行堆栈设计。

不过，若把x3技术的Flash Memory视为次世代大容量内存，会发现x3虽然确实扩充了容量，解决终端应用产品渴求的储存空间，但也带来更多问题。首先MLC读写速度较慢，但x3技术环境下，Flash Memory读写速度更慢，再者，MLC读写次数已较SLC锐减，x3技术恐怕更会雪上加霜。

次世代Flash接班呼声涌现

Flash Memory发展迄今，应用已经超越其原始设计，例如，固态硬盘(Solid-State Storage；SSD)这样的应用，读/写Flash Memory的频繁程度，已并非当初仅供暂时性储存的Flash Memory设计初衷，加上为求成本与容量考虑，采寿命较短的MLC，频繁读写Flash Memory特有的使用寿命限制，将使储存单元很快到达使用寿命的临界点！虽现代储存媒体讲求大容量、低成本，但使用寿命的隐患也会影响日后运用。

目前Flash Memory颗粒技术，几乎较少针对使用寿命改善方面强化，因此也只能从控制器(Controller)方面进行改良，这部份主要是利用2种技术，首先是均衡(Balance)算法，控制器管制每个区块写入次数，尽量将整组Flash Memory每个记忆单元的写入次数加以平均。搭配更先进的平均耗损(wear-leveling)算法，则是还能将已经超过某个写入百分比区块，先与其它区块进行数据交换，若记忆区块实体性的损坏，也能将数据映像到其它区块。

此外，亦可利用DRAM、SRAM进行数据暂存，减少数据实际写入Flash Memory次数。不过利用控制器与缓冲存储器都还只是治标之道，有些先天技术瓶颈尚无法完全克服，如在位变小时，由于存取间距缩短，操作电压讯号耦合(Coupling)现象，也会对邻近位造成纪录数据错误。

而治本之道是开发新的闪存技术，当然此法并非一蹴可几，但在应用需求逐渐超过Flash Memory能力的市场发展状况下，真正次世代大容量技术几乎都以更改原架构的大幅革新方式，才能解决眼前Flash Memory的技术障碍。

目前研发中的闪存可以分为3大类：磁性随机存取内存(Magnetic RAM)、非挥发性铁电内存(Ferro electric RAM)以及相变化内存(Phase Change Memory；PCM或称Ovonic Universal Memory；OUM)，这3类内存分别针对更低耗电、更多写入次数、更有效清除方式，及更高效能读取速度…等重点进行突破。

目前以FeRAM内存发展最为快速，已经进入小量生产，不过局限应用领域较为特别，发展显得有些迟滞，目前国际厂商在MRAM与PCM相关开发多已脱离实验室与理论阶段，已有产品推出，而台厂起步较晚，不过在MRAM与PCM研发方面，也有机会赶上国际厂商。

而这些新式内存技术，由于市场仍远小于Flash Memory，目前还有很长的研发工作待持续进行，因为由MLC打败SLC的历程可以看出，内存市场没有达到相对合理的成本条件，就算技术领先，面对现实的市场环境，依旧难以成功，所以，前述3类内存的决胜关键，恐怕仍会重复历史轨迹。

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