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四种储存技术PK,谁会是下世代明星?存储

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[大数据技术 所属分类 大数据技术 | 发布者 店小二03 | 时间 | 作者 红领巾 ] 0人收藏点击收藏

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物联网

现代电子产品中,存储扮演不可或缺的重要的角色。2017年半导体产业产值预估首次超过4,000亿美元,其中原因之一是存储需求大增,厂商能提高售价,2017年营收成长约五成,南韩三星是较大的存储供应商,获利较大。这波存储热潮预计被新兴的需求继续推动,物联网、穿戴式装置、云端储存和巨量资料运算等都将成带动存储市场的动能。


目前存储依储存特性,以断电后资料是否消失可分为挥发性和非挥发性存储,挥发性存储断电后资料不能留存,成本较高但是速度快,通常用于资料暂存;非挥发性存储存取速度较慢,但可长久保存资料。


静态随机存取存储(SRAM)与动态随机存取存储(DRAM)常被大量使用在电脑系统及电子产品中,做为资料暂存用之挥发性存储。DRAM目前以PC/NB与行动应用为主,但在支援虚拟化、绘图及其他复杂、即时工作应用上也将逐年增加。DRAM从80年代前全球超过20家公司制造,目前只剩三星(Samsung)、SK海力士(SK Hynix)与美光(Micron)等三家寡占市场,应用种类从主要PC类扩及消费性电子(如iPod)、手机、平板电脑、穿戴装置,智能汽车、无人驾驶车对DRAM的需求也愈来愈高。


唯读存储(ROM)或可读写式存储如传统机械式硬碟(HDD)、固态硬碟(SSD)、快闪存储(Flash Memory)等虽然有不同的读写特性,但皆是在电源被切断后仍可长时间保存资料。其中Flash的操作速度与一般硬碟相比还是比较快,所以逐渐成为主流。


Flash存储的架构和ROM可分为并联式(NOR)跟串联式( NAND ),并联式快闪存储(NOR-Flash)常见于主机板BIOS,串联式快闪存储(NAND-Flash)常见于一般消费性电子产品,如手机、随身碟、SSD等,NAND Flash随着制程技术不断进化、单位容量成本不断下降,已在智能手机、嵌入式装置与工控应用大量普及,近年来应用于大数据资料储存及愈来愈多笔记型电脑的固态硬碟需求增加,由NAND-Flash所制成的SSD有逐渐取代一般硬碟的趋势。主要厂商为三星、东芝与SK海力士等。


DRAM及NAND Flash在特性与成本上具有互补性,前者每秒传输频宽大、单位成本较高且消耗功率较大;后者传输速度慢、每单位成本较低且消耗功率低,因此两者在市场与功能上有区隔性,也构成目前存储产品两大阵营,因应物联网、大数据与云端等资料爆发性成长世代来临,存储不管是独立或嵌入式,都将是系统架构的关键元件。


展望2020年时,全球存储市场规模为795.1亿美元,其中DRAM占38.9%、NAND Flash占55.1%、下世代存储的占比则跃升为2.0%。


然而,由于主流存储DRAM与NAND在微缩制程上已出现瓶颈与影响,因此找出替代性的解决方案或改变电路等,以因应未来资料储存需求,将是目前存储产业最重要的议题。


开发下世代存储的三大衡量标准包括成本、元件效能、可微缩性与密度等,其中成本需考量存储颗粒、模组与控制电路等总体;元件效能则包含延迟时间、可靠度、资料保存耐久度等。


下世代的存储,目前普遍朝向改变过去储存电荷来存取资料的方式,藉由改变储存状态机制解决制程上的限制,另外,低功耗为下世代存储甚至元件的共通目标。


四大存储技术PK,谁会是下世代明星?

随着移动设备、物联网应用的兴起,对于节能的资料储存与存储技术需求日益增加。目前的存储技术以DRAM与NAND 快闪存储为主流,但DRAM的读写速度快无法长时间储存资料;NAND Flash能保存资料,但读写速度不佳。


同时兼具运算、储存能力的下世代存储,如磁阻式存储(MRAM)、电阻式存储(RRAM)、3D XPoint技术与高潜力的自旋电子磁性存储(STT-MRAM)等,就成为下世代存储技术的新宠儿。


MRAM的技术在学理上存取速度将超越DRAM达到接近SRAM,且断电后资料不流失,早期由Everspin公司开发,被视为下世代存储技术的重要的竞争者。2017年是MRAM技术爆发的一年,当年在日本举办的大型积体电路技术日本举办的大型积体电路技术、系统和应用国际研讨会,格罗方德与Everspin公司共同发布有抗热消磁eMRAN技术,具能够让资料在摄氏150度下保存资料,可长达十数年的22纳米制程的制程技术,预计2017年底、2018年投产。


而曾经投入存储研发生产,但却不敌成本高昂而退出存储市场的台积电,在2017年台积电技术论坛中,揭露已具备22纳米制程嵌入式磁阻式存储(eMRAM)的生产技术,预定2018年试产。


RRAM其优点是消耗电力较NAND低,且写入资讯速度比NAND快闪存储快1万倍,主要投入研究的厂商有美光、Sony、三星。


台积电也已宣布具备生产22纳米eRRAM技术。3D XPoint技术的主要厂商为英特尔与美光,采用多层线路构成的三维结构,并采用栅状电线电阻来表示0和1,原理类似RRAM。


为储存装置的良好的替代品,具有比NAND快闪存储快了近1,000倍,也可用于运算速度要求低的计算应用。


STT-MRAM是运用量子力学的电子自旋角动量的技术应用,具有DRAM和SRAM的高性能且低功耗,并相容现有的CMOS制造技术与制程。


目前主要投入厂商有IBM与三星、SK海力士和东芝,其中IBM和三星在IEEE发布研究论文表示,已成功实现10奈秒的传输速度和超省电架构。


尽管下世代存储未来有望取代部分DRAM与NAND快闪存储的市场,甚至取代旧有技术。但是笔者认为,随着人工智能、物联网装置与更多的资料收集与感测需求,下世代的存储技术首先将着眼于以新应用的需求为主,如台积电锁定的嵌入式存储,并充分发挥运算与储存二合一的优势,进一步微缩大小,达到元件更高的市场渗透率。


但是若从厂商动态来看,22纳米的eMRAM技术将于2018年年后逐渐成熟,并开始有大量的市场应用。


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