曾投入記憶體研發生產，但卻不敵成本高昂而退出記憶體市場的台積電，竟然再度投入記憶體產業。是什麼樣的技術，不但吸引台積電再次投入這塊市場，更讓三星、英特爾、格羅方德都已經摩拳擦掌投入，準備好一較高下了？
這個讓半導體巨頭紛紛投入的技術就是被稱為新世代記憶體的 MRAM 和 RRAM。
MRAM 和 RRAM 的特性為何，與 DRAM、NAND（快閃記憶體）相比，又有什麼樣的效能與成本優勢？讓我們從 MRAM 和 RRAM 兩項技術看起。
什麼是新世代記憶體？
MRAM（Magnetoresistive Random Access Memory，磁阻式隨機存取記憶體）是一種非揮發性記憶體技術，也就是當電流關掉，所儲存的資料並不會消失的記憶體。它自 1990 年代開始發展，這項技術在學理上的存取速度接近 SRAM，具快閃記憶體的非揮發性特性，在容量密度及使用壽命上也不輸給 DRAM，平均能耗遠低於 DRAM，未來極具成為真正通用型記憶體潛力。
而 RRAM（Resistive random-access memory，可變電阻式記憶體）同樣是一種新型的非揮發性記憶體，其優點在於消耗電力較 NAND 低，且寫入資訊速度比 NAND 快閃記憶體快了 1 萬倍。
從階層式記憶體的金字塔圖來看，SRAM 位於金字塔尖端，為最高階、速度最快，成本也最高的產品。其次為主記憶體的DRAM，MRAM 僅次於 DRAM，而 RRAM 則緊接其後，在 RRAM 之下的是 NAND，從此圖可以看出 MRAM 與 RRAM 的市場定位也正是介於 DRAM 與 NAND 之間。
高速運算、資料中心、物聯網激發新世代記憶體高度需求事實上，MRAM 與 RRAM 技術並非近年來的產物，早在 1990 年代，就有廠商開始投入研發，而促使新世代記憶體發展在近年來露出曙光的原因，正是進入高速運算時代，記憶體技術演進速度出現跟不上系統效能演進速度所導致。
隨著數據的產生速度不斷加快，對記憶體的需求也飛速成長。從對 DRAM 的高速運算需求來看，在高速運算下，記憶體(DRAM)與 CPU 間的頻寬，漸成為運算瓶頸，為解決上述瓶頸，HBM、TSV、offload 運算加速器成為產業研發的重心。此外，DRAM 也面臨了摩爾定律發展下去的限制，說明了為什麼半導體巨擘們要積極投入新世代記憶體研發生產的原因。
另一方面，SSD 資料中心存儲的高速 IOPS 需求也是業界的一大焦點，除了資料中心的高速 IOPS 需求外，信賴度、能耗也是重要的指標，NAND 本身走到 TLC 雖然在價格上有優勢，但卻面臨產品信賴度惡化的狀況，目前以 Page 式的寫入方式，讓寫入成為 IOPS 的主要瓶頸。此外，在資料傳輸速度要求越來越高下，為了保證資料的正確性，SSD Controller 須內建高速的 Buffer，然而不論是用 DRAM 或是 SRAM 均需要額外提供電源以保障供電異常下的正常發展。在這個前提下，新世代記憶體也成為產業寄望能改善 NAND 問題的關鍵技術。
除了高速運算與資料中心的儲存需求以外，物聯網物端需要的非揮發性記憶體，也就是即時資料儲存需求，牽涉到物聯網需要低能耗、資料耐久度高、每次寫入或存儲的資料單位小等層面。而這三項特色導致 NAND 的不合適，目前更多的解決方案是採用嵌入式記憶體（Embedded Memory）。不過，就目前嵌入式記憶體的發展來看，其製作流程、占用面積均仍有持續進步的空間，因此也成為新世代記憶體技術的另一個切入的面向。
嵌入式產品效能更勝一籌，台積電也沒缺席儘管新世代記憶體未來有望取代部分 DRAM 與 NAND 的市場，而成為業界關注的明日之星，然而，台積電重新跨進記憶體產業，他著眼的並非將記憶體做為單獨的產品販售，而是鎖定嵌入式記憶體市場。
台積電鎖定的嵌入式記憶體產品，可以說是新世代記憶體另一個改變產業形貌的重要路線。從目前的應用上來看，在工業、車用 MCU 或是物聯網 IC 的應用中，新世代記憶體有機會透過其能耗表現佳、占用面積小、發揮發性、讀寫速度快、操作電壓低、增加的製程複雜度低等優勢，進一步增加其在嵌入式市場的滲透率。
此外，嵌入式產品在效能表現上，也可望高於過去的 off-chip 產品，對於像是台積電、聯電、格羅方德等晶圓代工廠來說，提供嵌入式記憶體產品，除能擴張產品線與提供客戶更多的支持外，並能做為未來邏輯 IC 與記憶體在系統架構上進一步融合的前置布局。然而，對於三星等既有記憶體廠商而言，新世代記憶體的發展無疑帶來發展的契機，但能預期的是，未來的競爭態勢也將更為激烈。
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作者 | 發布日期 2017 年 06 月 15 日 18:38
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