〈觀察〉被視為夢幻記憶體的MRAM 為何吸引半導體大廠相繼投入?

NAND Flash近來朝3D轉型。(圖:AFP)
NAND Flash近來朝3D轉型。(圖:AFP)

目前記憶體市場以 DRAM 與 NAND Flash 為主流,而近年來,在人工智慧、5G 等需求推升下,新興記憶體 MRAM(磁阻式隨機存取記憶體) 逐漸成為市場焦點,是什麼原因吸引台積電 (2330-TW)、英特爾與三星等半導體大廠,相繼投入研發?

隨著半導體產業持續朝更小的技術節點邁進,DRAM(動態隨機存取記憶體) 與 NAND Flash(儲存型快閃記憶體) 開始面臨微縮挑戰,DRAM 已接近微縮極限,而 NAND Flash 則朝 3D 轉型,除微縮越趨困難外,在高速運算上也遭遇阻礙。

而在人工智慧、5G 時代來臨下,資料需求量暴增,隨著摩爾定律持續向下微縮,半導體業者加大對新興記憶體的研發與投資力道,開始尋求成本更佳、速度更快、效能更好的儲存解決方案。

目前新興記憶體主要包括鐵電隨機存取記憶體 (FRAM)、相變化隨機存取記憶體(PRAM)、磁阻式隨存取記憶體(MRAM) 及可變電阻式隨機存取記憶體 (RRAM) 等,其中又以 MRAM 最被看好、最受業界期待。

MRAM 屬於非揮發性記憶體技術,是利用具高敏感度的磁電阻材料製造的記憶體,斷電時,所儲存的資料不會消失,耗能較低;讀寫速度快,可媲美 SRAM(靜態隨機存取記憶體),比 Flash 速度快上百倍、甚至千倍;在記憶容量上能與 DRAM 抗衡,兼具處理與儲存資訊功能;且資料保存時間長,適合需要高性能的場域。

除效能上的優點外,相較於 DRAM、SRAM 與 NAND Flash 等記憶體面臨微縮困境,MRAM 特性可滿足製程微縮需求。目前 DRAM 製程停滯在 1X 奈米,而 Flash 走到 20 奈米以下後,朝 3D 製程轉型,MRAM 製程可推進至 10 奈米以下。至於 SRAM,則在成本與能量損耗上,遭遇嚴峻挑戰。

在具備 Flash 的非揮發性技術、SRAM 的快速讀寫能力、DRAM 的高元件集積度等特性之下,MRAM 未來發展潛力備受期待,已被半導體業界視為下世代的夢幻記憶體技術,成為人工智慧與機器學習應用上,可替代 SRAM 的新興記憶體。

也因此,除國內晶圓代工龍頭台積電外,包括英特爾、三星、格芯等 IDM 廠與晶圓代工廠,相繼投入 MRAM 研發,盼其能成為後摩爾定律時代的新興儲存解決方案。

MRAM 與 DRAM、NAND Flash 及 SRAM 等記憶體概念全然不同,MRAM 的基本結構是磁性隧道結,研發難度高,目前主要為兩大類別:傳統 MRAM 及 STT-MRAM,前者以磁場驅動,後者則採自旋極化電流驅動。

目前各家半導體大廠主要著眼 STT-MRAM,且越來越多嵌入式解決方案誕生,以取代 Flash、EEPROM 和 SRAM。三星採 28 奈米 FD-SOI(完全空乏型矽絕緣層金氧半電晶體) 製程製造;格芯同樣 FD-SOI 技術,但製程已推進至 22 奈米;英特爾也採用基於 FinFET(鰭式場效電晶體) 技術的 22 奈米製程。

台積電則是早在 2002 年,就與工研院簽訂 MRAM 合作發展計畫,目前正開發 22 奈米嵌入式 STT-MRAM,採用超低漏電 CMOS(互補式金屬氧化物半導體) 技術,已完成技術驗證、進入量產,並將持續推進 16 奈米 STT-MRAM 開發,以支援下世代嵌入式記憶體 MCU、車用電子元件、物聯網及人工智慧等多項新應用。

據研調機構 Yole Développement 指出,到 2024 年,STT-MRAM 市場規模可望達到 18 億美元,其中嵌入式方案產值約 12 億美元、獨立元件約 6 億美元。未來幾年,雖然 DRAM 與 NAND Flash 將持續站穩記憶體市場主導地位,但隨著各家半導體大廠相繼投入發展,成本也將逐步下降,進一步提升 MRAM 的市場普及率。


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