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人工智能(AI)應用的興起，帶動了高效能運算的發(fā)展。為了應付極為繁重的運算任務，處理器、微控制器(MCU)業(yè)者，不是推出運算效能更高的新產品，就是推出了內建專用加速單元的解決方案，來提升運算單元處理AI運算的效率。
但運算單元的效能提升，只解決了部分問題。在運算效能大幅提升的情況下，記憶體成為運算效能的瓶頸所在。如何用更低的成本來儲存大量資料，并將這些資料即時傳輸到運算單元進行處理，成為記憶體必須克服的挑戰(zhàn)。
四大次世代記憶體各有挑戰(zhàn)
成功大學電機系副教授盧達生指出，在高速運算領域，記憶體面臨這三個主要的挑戰(zhàn)，分別是如何提高儲存密度、如何提高資料傳輸效能，以及降低功耗。在提高儲存密度方面，記憶體業(yè)界已普遍導入3D堆疊架構，來提升資料儲存的密度；在性能方面，則發(fā)展出高頻寬記憶體，來解決馮紐曼運算架構的瓶頸。嵌入式記憶體則是頻寬與功耗問題的解答，藉由縮短處理器與記憶體之間的實體距離，記憶體與處理器之間的通訊頻寬得以提高，資料傳輸的功耗也大幅改善。
然而，現有的記憶體技術存在許多限制。例如SRAM雖然有極低的延遲，而且理論上沒有讀寫次數的限制，但其占用的面積相當大，而且斷電后儲存在上面的資料也會遺失；快閃記憶體可以實現相當高的儲存密度，但讀寫次數有限，而且寫入資料的速度慢，功耗也高。
為突破現有記憶體技術的限制，產業(yè)界與學術界一直在研究新的記憶體技術。目前最具潛力的次世代記憶體技術有四種，分別是相變記憶體(PCM)、磁性記憶體(MRAM)、電阻記憶體(RRAM)，以及鐵電記憶體(FeRAM)。這些記憶體技術都具有比快閃記憶體更高的寫入速度與更低的功耗，密度也比SRAM更高，同時都具有非易失性，斷電后資料也不會遺失。
但這些新興記憶體技術本身也有許多需要克服的問題。以相變記憶體來說，因為其需要相當大的電流來重置記憶單元，因此其功耗跟讀寫速度，僅略優(yōu)或相當于快閃記憶體。磁性記憶體的問題則是在量產方面，特別是基于自旋電子的Spin Torque Transfer MRAM(STT-MRAM)，因為需要精準堆疊數十層厚度不到1奈米的薄膜，使其生產製程變得非常困難。
電阻記憶體的挑戰(zhàn)之處則在于其所使用的材料電阻值變化范圍相當大，固有雜訊(Inhernet Noise)的水準也高。此外，電阻記憶體的讀寫次數限制也僅略優(yōu)于快閃記憶體。鐵電記憶體的最大問題，則是高溫環(huán)境下的穩(wěn)定度仍有疑慮。各種記憶體技術的關鍵性能指標整理如表1。
由于盧達生所率領的研究團隊，主要進行鐵電記憶體技術相關的研究，因此盧達生也特別分享了跟鐵電記憶體有關的最新進展。
盧達生指出，鐵電記憶體的商品化其實非常早，例如日本地鐵系統(tǒng)所使用的西瓜卡(Suica)，早期版本所使用的記憶體就是鐵電記憶體；Sony所推出的Felica智慧卡，也是使用鐵電記憶體。日本廠商選用鐵電記憶體的原因，主要是看上了鐵電記憶體的超低功耗特性，而且在這類應用中，基本上不存在高溫的問題，所以應用開發(fā)商可以放心使用。
但早期鐵電記憶體所使用的材料，是無法跟CMOS製程相容的。這項限制對鐵電記憶體的發(fā)展，產生了很大的影響。直到最近，學界才發(fā)現了可以與CMOS製程相容的新一代鐵電材料，讓鐵電記憶體可望成為嵌入式記憶體的一種。但鐵電記憶體對溫度變化過于敏感，更害怕高溫環(huán)境的問題，目前仍未取得重大突破。
MRAM商品化/技術研發(fā)兩頭并進
專精于磁性記憶體研究的陽明交通大學半導體學院特聘教授曾院介則進一步分析，磁性穿隧接面(MTJ)是磁性記憶體的核心。在STT-MRAM(圖1)這種架構中，虛線框內由兩層鈷鐵硼(CoFeB)夾著氧化鎂(MgO)的結構，就是STT-MRAM的MTJ。這個三明治結構必須做得非常完美，MTJ才能正常運作。這對于蝕刻跟圖案化製程來說，是相當大的挑戰(zhàn)。
圖1 STT-MRAM結構
除了MTJ之外，從圖2也可以看出，在一個STT-MRAM Cell 的兩個電極之間，必須堆疊十多層由不同材料構成的薄膜，且每一層薄膜的厚度都不到于1奈米。這對于量產來說，也是相當大的考驗。
圖2 STT-MRAM與SOT-MRAM的結構與特性比較
除了STT-MRAM之外，自旋軌道扭矩磁性記憶體(SOT-MRAM)也是一種備受矚目的技術。與STT-MRAM相比，SOT-MRAM的密度雖然比較低，但卻具有更省電、更可靠且讀寫速度更快的優(yōu)勢，因此成為臺積電與三星(Samsung)競相投入的新一代MRAM技術。圖2為STT-MRAM與SOT-MRAM的比較。
以商品化的進程來看，目前STT-MRAM已經可以量產，SOT-MRAM則仍在研發(fā)階段。但由于STT-MRAM製程難度非常高，因此市場上的供應商極為有限，Everspin就是其中的代表性廠商之一。
Everspin亞太/日本區(qū)應用工程師張紘偉指出，STT-MRAM是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g，過去數十年來一直有廠商想進入這個市場，有像Everspin這種提供獨立元件的廠商，也有晶圓代工廠想將MRAM當作一種嵌入式記憶體來使用。
但誠如陽明交大曾院介教授所言，MRAM的結構十分複雜，對製程的要求又高，如果真的要按照實驗室標準來生產STT-MRAM，會遇到相當多困難。因此，Everspin的STT-MRAM在設計上做了一定程度的改變，以提高STT-MRAM元件的可量產性。
但即便如此，STT-MRAM 顆粒的生產，還是有相當高的門檻要跨越。目前市場上除了Everspin之外，僅Avalanche有針對商用市場提供產品。中國也有一些投入STT-MRAM的晶片公司，但他們主要是針對軍用市場。
其實，STT-MRAM除了省電之外，強固性也是其主要優(yōu)勢所在。針對極端環(huán)境的工業(yè)及物聯網應用，Everspin可提供操作溫度范圍在攝氏-55~125度之間， 資料維持時間長達20年的元件，由此就可看出STT-MRAM的強固性可以做到何種水準。但需要這麼高可靠度的應用畢竟是少數，為降低成本，開拓更廣泛的應用市場，Everspin將在下半年推出操作溫度范圍縮小到攝氏-40~85度，資料維持時間至少10年，但容量最大可達256Mb 的新產品線(圖3)。
圖3 Everspin即將針對更主流的工業(yè)/IoT應用推出對應的STT-MRAM產品
高速運算為次世代記憶體帶來新契機
對于記憶體產業(yè)跟研究相關技術的學術研究團隊而言，現有的主流記憶體技術從來就不完美，不是具有易失性，就是讀寫速度太慢，或是有次數上的限制。因此，產業(yè)界跟學術界在次世代記憶體研究的漫漫長路上，已經走了數十年，才漸漸有比較明確的應用成果出現，但也僅只于某些利基型應用。
高速運算的需求，很可能將成為次世代記憶體應用發(fā)展的催化劑。記憶體內運算(In Memory Computing)、神經型態(tài)運算(Neuromorphic Computing)這些專為處理大量資料而誕生的高速運算架構，需要將邏輯跟記憶單元做更緊密的藕合，同時也讓次世代記憶體的需求變得更加迫切。未來幾年，這些次世代記憶體的應用發(fā)展，是否會因為高速運算的發(fā)展而明顯加快，值得拭目以待。
