內存應用發展的關鍵指針:容量、速度、可靠度

電子裝置系統中，除了邏輯操作數件與感測組件（包括各類電源控制與I/O收發控制）外，內存組件也是其中不可或缺的關鍵零組件。根據不同的應用需求，所需要的記憶體型式類別也會有所差別，所以內存的發展也是五花八門，各種讀取技術、材料規格、揮發性、非揮發性，乃至于同質、異質的嵌入整合或系統封裝都不斷地推陳出新。
然而內存發展軌跡也可以說只是隨著越來越龐大的運算與感測功能而亦步亦趨，所以其應用發展的關鍵指針就會以容量、速度為重點來觀察。由于配合系統發展，當容量與速度越來越大、越來越快，此時各種數據交錯復雜、訊號強弱不一，且環境干擾頻繁，因此內存的可靠度也是未來發展的關鍵指標。


無止盡的容量擴充需求
內存芯片的容量隨著制造技術的進步而持續增加，其中以DRAM的單顆芯片容量發展速度最快，近年來平均每年翻倍。NAND Flash的單顆芯片容量發展速度也很快，但略低于DRAM。SRAM和HBM的單顆芯片容量發展速度相對較慢。
DRAM的單顆芯片容量不斷提升，主要得益于制程技術的進步。制程技術的進步使得芯片上的晶體管尺寸更小，從而可以容納更多的晶體管。
NAND Flash的單顆芯片容量不斷提升，主要得益于3D NAND技術的應用。3D NAND技術將NAND Flash的儲存單元堆棧在多層中，從而提高了空間利用率。
SRAM和HBM的單顆芯片容量發展速度相對較慢，主要原因是其對性能和功耗的要求更高。SRAM需要保證高速的訪問速度，HBM需要保證高帶寬和低功耗。因此，SRAM和HBM的制程技術需要更加成熟，成本也更高。
在未來，隨著制程技術的不斷進步，各類內存的單顆芯片容量將繼續提升。預計到2030年，DRAM的單顆芯片容量將達到128GB，NAND Flash的單顆芯片容量將達到32Tb，SRAM的單顆芯片容量將達到1Gb，HBM的單顆芯片容量將達到128GB。
內存單顆芯片容量的提升，將帶來以下好處：
1.降低內存成本：單顆芯片容量越大，生產內存的成本就越低，從而降低內存的價格。
2.提高電子設備的性能：更大的內存容量可以使電子設備執行更復雜的任務，并存儲更多數據。
3.促進新應用和服務的發展：更大的內存容量將使開發人員能夠開發新的應用和服務，例如大數據分析、人工智能等。
總體而言，內存單顆芯片容量的提升是未來內存發展的重要趨勢，將對電子設備和應用產生深遠的影響。


 
圖一 : 主要內存類型在容量和速度速度方面的表現。

配合指令周期的高頻內存需求
目前DDR5的頻率可達6400 MT/s比DDR4高出約50%，主要得益于其采用了新的傳輸協議。DDR5的傳輸協議可以同時傳輸兩個資料字節，從而提高了傳輸速率。DDR6和DDR7的標準尚未正式發布，但根據預測，DDR6的單顆芯片速度將比DDR5高出約50%，達到8000 MT/s至12000 MT/s。DDR7的單顆芯片速度將比DDR6高出約50%，達到12000 MT/s至18000 MT/s。
在HBM方面，HBM2e的單顆芯片速度比HBM2高出約25%，主要得益于其工作頻率更高。HBM2e的工作頻率為1250 MHz，而HBM2的工作頻率為1000 MHz。
在未來，隨著制程技術和傳輸協議的不斷發展，各類內存的單顆芯片速度將繼續提升。而內存單顆芯片速度的提升，將帶來以下好處：
1.提高電子設備的性能：更高的內存速度可以使電子設備執行更復雜的任務，并處理更大的數據量。
2.降低功耗：更高的內存速度可以使內存控制器工作在更低的電壓下，從而降低功耗。
3.促進新應用和服務的發展：更高的內存速度將使開發人員能夠開發新的應用和服務，例如高性能計算、人工智能等。
總體而言，內存單顆芯片速度的提升是未來內存發展的重要趨勢，將對電子設備和應用產生深遠的影響。


萬無一失的可靠度需求
可靠度是評估計算機內存的一個關鍵指針，特別是在數據中心、企業級服務器和關鍵任務應用中。內存的可靠度影響到整個系統的穩定性和數據的安全性。以下是幾個主要的可靠度相關方面：
1.錯誤更正代碼（ECC）
ECC內存：專為檢測和修正常見的數據腐敗問題設計。這對于保證數據完整性尤其重要，避免了數據損壞和系統崩潰的風險。
2.耐用性和壽命
耐用性：尤其是在非揮發性內存（如SSD）中，內存單元可以承受的寫入次數有限，因此提高耐用性是內存技術創新的重點。
壽命：隨著時間的推移，內存組件會因為物理疲勞和其他因素而老化。技術創新旨在延長內存的使用壽命。
3.數據保護和安全
數據保護：防止數據丟失和故障的技術（如RAID技術）是評估內存可靠性的一個重要方面。

安全：內存技術的發展同樣集中于增強數據安全性，如加密技術的整合，以防止數據被未授權訪問。
4.環境適應性
溫度和環境影響：內存在不同的溫度和環境條件下的性能表現也是其可靠性的重要指標。對于特定應用，如航天或軍事用途，內存必須能在極端條件下可靠運作。
這些可靠性特點對于確保系統的整體健康和防止數據損失至關重要，并對選擇適用于特定應用的內存產品提供了重要的參考。


系統級內存整合方案
為了使內存應用達到更高的性能（低延遲、容量堆棧）、更低的功耗和更小的物理空間需求，系統級整合技術也是一種主要的解決方案。簡單而言，系統級內存整合可分成直接將晶粒堆棧在系統單芯片（SoC）中，或利用封裝技術堆棧芯片與連接基板（SiP），或者結合以上兩種的CoWoS（3D IC）封裝技術。
不同的內存整合在一個芯片上，需要有一個設計平臺，例如鈺創科技開發的異質整合平臺MemorAiLink，提供多樣化的內存選擇和完整的內存接口 IP 服務。該平臺旨在優化系統單芯片（SoC）的整體效能和成本，并縮短產品上市時間。
所以，系統級的內存整合種類也有非常多元的發展，主要還是看應用上的需求，在服務器、AI PC或各類邊緣運算上的內存整合都可能采用不同的創新模式，來滿足其設計理念。在此就以目前最受矚目的CoWoS來說明其技術應用：


 
圖二 : TSMC的一型CoWoS-R先進封裝制程示意圖 (Source:TSMC官網)
CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）是一種先進的封裝技術，具有以下優勢：縮短線路長度：CoWoS技術可以將多個芯片堆棧在一起，縮短芯片之間的線路長度，從而提高傳輸速度和降低功耗。提高散熱效率：CoWoS技術可以利用硅中介層（Interposer）將芯片與基板隔開，從而提高散熱效率。提高設計靈活性：CoWoS技術可以將不同類型的芯片整合在一起，例如CPU、GPU、內存等，提高系統的整合度和靈活性。因此，CoWoS技術非常適合用于內存的整合。
目前，CoWoS技術主要應用于高性能計算（HPC）、人工智能（AI）等領域。但在未來，隨著CoWoS技術的成本下降和成熟度提高，有望在更廣泛的領域得到應用，包括消費類電子產品、物聯網（IoT）等。總體而言，CoWoS技術有望成為未來內存整合的主要技術之一。隨著CoWoS技術的不斷發展，內存將更加高效、可靠、低功耗，并在更廣泛的領域得到應用。

結語
內存的種類繁多，為了特定系統的實踐應用，不外乎容量、速度與可靠度三項指標，這三項指標理想上必須做到互相平衡的狀態，也就會是系統運作上的最佳內存解決方案。至于低功耗與低延遲的要求，這是基本的環保與質量概念，當然是做到相對越低越好。以上種種指標，促成了揮發性或非揮發性內存不斷創新且多元發展，也暗示了很難有單一種類內存來通吃市場的可能性。