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人工智能(AI)应用的兴起，带动了高效能运算的发展。为了应付极为繁重的运算任务，处理器、微控制器(MCU)业者，不是推出运算效能更高的新产品，就是推出了内建专用加速单元的解决方案，来提升运算单元处理AI运算的效率。
但运算单元的效能提升，只解决了部分问题。在运算效能大幅提升的情况下，记忆体成为运算效能的瓶颈所在。如何用更低的成本来储存大量资料，并将这些资料即时传输到运算单元进行处理，成为记忆体必须克服的挑战。
四大次世代记忆体各有挑战
成功大学电机系副教授卢达生指出，在高速运算领域，记忆体面临这三个主要的挑战，分别是如何提高储存密度、如何提高资料传输效能，以及降低功耗。在提高储存密度方面，记忆体业界已普遍导入3D堆叠架构，来提升资料储存的密度；在性能方面，则发展出高频宽记忆体，来解决冯纽曼运算架构的瓶颈。嵌入式记忆体则是频宽与功耗问题的解答，藉由缩短处理器与记忆体之间的实体距离，记忆体与处理器之间的通讯频宽得以提高，资料传输的功耗也大幅改善。
然而，现有的记忆体技术存在许多限制。例如SRAM虽然有极低的延迟，而且理论上没有读写次数的限制，但其占用的面积相当大，而且断电后储存在上面的资料也会遗失；快闪记忆体可以实现相当高的储存密度，但读写次数有限，而且写入资料的速度慢，功耗也高。
为突破现有记忆体技术的限制，产业界与学术界一直在研究新的记忆体技术。目前最具潜力的次世代记忆体技术有四种，分别是相变记忆体(PCM)、磁性记忆体(MRAM)、电阻记忆体(RRAM)，以及铁电记忆体(FeRAM)。这些记忆体技术都具有比快闪记忆体更高的写入速度与更低的功耗，密度也比SRAM更高，同时都具有非易失性，断电后资料也不会遗失。
但这些新兴记忆体技术本身也有许多需要克服的问题。以相变记忆体来说，因为其需要相当大的电流来重置记忆单元，因此其功耗跟读写速度，仅略优或相当于快闪记忆体。磁性记忆体的问题则是在量产方面，特别是基于自旋电子的Spin Torque Transfer MRAM(STT-MRAM)，因为需要精准堆叠数十层厚度不到1奈米的薄膜，使其生产製程变得非常困难。
电阻记忆体的挑战之处则在于其所使用的材料电阻值变化范围相当大，固有杂讯(Inhernet Noise)的水准也高。此外，电阻记忆体的读写次数限制也仅略优于快闪记忆体。铁电记忆体的最大问题，则是高温环境下的稳定度仍有疑虑。各种记忆体技术的关键性能指标整理如表1。
由于卢达生所率领的研究团队，主要进行铁电记忆体技术相关的研究，因此卢达生也特别分享了跟铁电记忆体有关的最新进展。
卢达生指出，铁电记忆体的商品化其实非常早，例如日本地铁系统所使用的西瓜卡(Suica)，早期版本所使用的记忆体就是铁电记忆体；Sony所推出的Felica智慧卡，也是使用铁电记忆体。日本厂商选用铁电记忆体的原因，主要是看上了铁电记忆体的超低功耗特性，而且在这类应用中，基本上不存在高温的问题，所以应用开发商可以放心使用。
但早期铁电记忆体所使用的材料，是无法跟CMOS製程相容的。这项限制对铁电记忆体的发展，产生了很大的影响。直到最近，学界才发现了可以与CMOS製程相容的新一代铁电材料，让铁电记忆体可望成为嵌入式记忆体的一种。但铁电记忆体对温度变化过于敏感，更害怕高温环境的问题，目前仍未取得重大突破。
MRAM商品化/技术研发两头并进
专精于磁性记忆体研究的阳明交通大学半导体学院特聘教授曾院介则进一步分析，磁性穿隧接面(MTJ)是磁性记忆体的核心。在STT-MRAM(图1)这种架构中，虚线框内由两层钴铁硼(CoFeB)夹著氧化镁(MgO)的结构，就是STT-MRAM的MTJ。这个三明治结构必须做得非常完美，MTJ才能正常运作。这对于蚀刻跟图案化製程来说，是相当大的挑战。
图1 STT-MRAM结构
除了MTJ之外，从图2也可以看出，在一个STT-MRAM Cell 的两个电极之间，必须堆叠十多层由不同材料构成的薄膜，且每一层薄膜的厚度都不到于1奈米。这对于量产来说，也是相当大的考验。
图2 STT-MRAM与SOT-MRAM的结构与特性比较
除了STT-MRAM之外，自旋轨道扭矩磁性记忆体(SOT-MRAM)也是一种备受瞩目的技术。与STT-MRAM相比，SOT-MRAM的密度虽然比较低，但却具有更省电、更可靠且读写速度更快的优势，因此成为台积电与三星(Samsung)竞相投入的新一代MRAM技术。图2为STT-MRAM与SOT-MRAM的比较。
以商品化的进程来看，目前STT-MRAM已经可以量产，SOT-MRAM则仍在研发阶段。但由于STT-MRAM製程难度非常高，因此市场上的供应商极为有限，Everspin就是其中的代表性厂商之一。
Everspin亚太/日本区应用工程师张紘伟指出，STT-MRAM是一种极具发展潜力的技术，过去数十年来一直有厂商想进入这个市场，有像Everspin这种提供独立元件的厂商，也有晶圆代工厂想将MRAM当作一种嵌入式记忆体来使用。
但诚如阳明交大曾院介教授所言，MRAM的结构十分複杂，对製程的要求又高，如果真的要按照实验室标准来生产STT-MRAM，会遇到相当多困难。因此，Everspin的STT-MRAM在设计上做了一定程度的改变，以提高STT-MRAM元件的可量产性。
但即便如此，STT-MRAM 颗粒的生产，还是有相当高的门槛要跨越。目前市场上除了Everspin之外，仅Avalanche有针对商用市场提供产品。中国也有一些投入STT-MRAM的晶片公司，但他们主要是针对军用市场。
其实，STT-MRAM除了省电之外，强固性也是其主要优势所在。针对极端环境的工业及物联网应用，Everspin可提供操作温度范围在摄氏-55~125度之间， 资料维持时间长达20年的元件，由此就可看出STT-MRAM的强固性可以做到何种水准。但需要这麽高可靠度的应用毕竟是少数，为降低成本，开拓更广泛的应用市场，Everspin将在下半年推出操作温度范围缩小到摄氏-40~85度，资料维持时间至少10年，但容量最大可达256Mb 的新产品线(图3)。
图3 Everspin即将针对更主流的工业/IoT应用推出对应的STT-MRAM产品
高速运算为次世代记忆体带来新契机
对于记忆体产业跟研究相关技术的学术研究团队而言，现有的主流记忆体技术从来就不完美，不是具有易失性，就是读写速度太慢，或是有次数上的限制。因此，产业界跟学术界在次世代记忆体研究的漫漫长路上，已经走了数十年，才渐渐有比较明确的应用成果出现，但也仅只于某些利基型应用。
高速运算的需求，很可能将成为次世代记忆体应用发展的催化剂。记忆体内运算(In Memory Computing)、神经型态运算(Neuromorphic Computing)这些专为处理大量资料而诞生的高速运算架构，需要将逻辑跟记忆单元做更紧密的藕合，同时也让次世代记忆体的需求变得更加迫切。未来几年，这些次世代记忆体的应用发展，是否会因为高速运算的发展而明显加快，值得拭目以待。
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