:::

產業技術評析

資料儲存需求下,下世代記憶體的發展趨勢
發表日期:2016-12-14
作者:陳婉儀(工研院IEK)
摘要:
伴隨網絡傳輸便利與周邊環境建置後,人們仰賴即時訊息、社群網絡連結與搜尋器等快速獲得資訊的模式已逐漸改變人類生活的方式,也帶來爆炸性成長的資料量,形成大數據時代。

全文:
一、全球資料儲存需求發展現況

從PC/NB、行動手機、平板與智慧電子等應用出現,伴隨網絡傳輸便利與周邊環境建置後,人們仰賴即時訊息、社群網絡連結與搜尋器等快速獲得資訊的模式已逐漸改變人類生活的方式,也帶來爆炸性成長的資料量,形成大數據(Big Data)時代。除此之外,穿戴式裝置、VR/AR與智慧產品等需求小容量、快速與非揮發性記憶體的需求,不管是下載程式、存取資料、串流資訊與即時互動等都會需要記憶體或儲存容量,例如網路平台業者透過對使用者的查詢模式與開啟頁面等資料進行收集時需要儲存至資料中心或以高效高速運算分析使用者後掌握其喜好,再藉由後端儲存或記憶體空間軌跡使網路頁面即時更新相關產品訊息,促使消費者獲得最新動態並產生消費的情況都是大數據與科技發展中創造的新模式。

根據2016年思科公布的思科全球雲端指數(Cisco Global Cloud Index, 2015-2020)顯示,2020年全球雲端流量將成長至每年14.1ZB,相較於2015年的每年3.9ZB成長3.7倍,而隨著全球物聯網生成的巨量資料於2020年將達到每年600ZB的龐大數據,對於資料量爆發性成長下也使得儲存產業也正在經歷轉型,市場對於記憶體儲存的硬體仍需要很多的新興技術協助突破既有的侷限,推動產業持續發展。

二、主流記憶體製程瓶頸,推升下世代記憶體的發展

根據Gartner資料,2016年全球記憶體市場預估達708.9億美元,其中動態隨機記憶體(DRAM)占50.3%市場比重、NAND型快閃記憶體(NAND Flash)占44.4%市場比重,兩者相加的比重高達94.7%,顯示DRAM與NAND Flash為目前記憶體市場的主流型態。DRAM目前以PC/NB與行動(Mobile)應用為主,依據產品容量區分以4Gb容量的比重最高,主要廠商為三星(Samsung)、SK海力士(SK Hynix)與美光(Micron)等;NAND Flash以固態硬碟(SSD)、手機與平板等資料運算記憶體為主要應用,以128Gb容量與TLC NAND的占比較高,主要廠商為三星(Samsung)、東芝(Toshiba)與SK海力士(SK Hynix)等。除DRAM與NAND Flash外,NOR型快閃記憶體(NOR Flash)市場比重次之,占比為2.6%,由於其隨機讀取速度快但容量較小且寫入速度慢,因此主要應用在程式碼的儲存與內部快速運算產品上,除此之外,下世代記憶體(Emerging Memories)正處於起步階段,市場規模為0.38億美元,佔比約0.1%,目前伴隨市場需求朝容量大、非揮發性與速度兼具等需求發展,NOR Flash市場將逐步下滑而下世代記憶體將逐步成長。

圖1 2016年全球記憶體依據類型分類的市場
資料來源:Gartner;工研院IEK(2016/09)
圖1 2016年全球記憶體依據類型分類的市場(單位金額:百萬美元)

DRAM與NAND在特性與成本上具有互補性,前者每秒傳輸頻寬大、單位成本較高(2016年$4.02/GB)且消耗功率較大;後者在傳輸速度上慢、每單位成本較低(2016年$0.25/GB)且消耗功率低,因此兩者在市場與功能上具有區隔性,也構成目前記憶體產品兩大陣營,但受到製程技術的限制與瓶頸,DRAM與NAND面臨物理極限、製造與研發成本不斷攀升的難題。

展望2020年全球記憶體市場規模為795.1億美元,其中DRAM佔比為38.9%、NAND Flash佔比55.1%、下世代記憶體的佔比則躍升為2.0%,此市場規模漲跌因素受到單位價格、出貨量的影響外,還有製程技術的演進瓶頸等,由於主流記憶體DRAM與NAND在微縮製程上已出現瓶頸與影響,因此找出替代性的解決方案或改變電路等以因應未來資料儲存需求將是目前記憶體產業最重要的議題。

下世代的記憶體,目前普遍朝向改變過去儲存電荷來存取資料的方式,而改以電阻式(Resistance-based)為基礎,藉由改變儲存狀態機制解決製程上的限制,除此之外,低功耗為下世代記憶體甚至元件的共通目標。目前下世代記憶體有PCRAM、ReRAM、Fe-RAM、STT-MRAM與3D XPoint等多種類型,但目前被視為較有潛力的為STT-MRAM與3D XPoint。主要在替代性考量上,DRAM本身為效能取向,因此尋找以DRAM為替代目標的下世代記憶體,須符合低延遲(Latency)、高耐久性(Endurance)等記憶體特性,若能加上非揮發性將更加符合市場需求,類DRAM下世代記憶體初期成本可偏高但仍需具有競爭力,目前較具潛力的以STT-MRAM為例,其鎖定的替代目標為嵌入式記憶體以外,還包含獨立式低容量記憶體,包括非揮發靜態隨機存取記憶體(nvSRAM)、非揮發動態隨機存取記憶體(nvDRAM)與中低密度的NOR Flash,若其容量可突破1Gb目標、降低能耗後,其可視為取代DRAM的重要下世代記憶體;NAND為成本取向,因此以NAND為替代目標的下世代記憶體在單位成本絕對必須具有競爭力以取代NAND的低價,而在特性上可有較高的延遲性、較DRAM差的耐久性與非揮發等特性,以3D XPoint成為極具潛力的參賽者,初期鎖定兩大市場,一為企業級存儲器(Enterprise Storage)、一為中低階的企業級伺服器中的動態隨機記憶體。

圖2 下世代記憶體的定位
資料來源:Micron;工研院IEK(2016/09)
圖2 下世代記憶體的定位

三、因應資料量成長與主流記憶體製程限制下,下世代記憶體將逐步成長

因應物聯網、大數據與雲端等資料爆發性成長世代來臨下,記憶體不管是獨立(Stand-alone)或嵌入式(embedded),都將是系統架構的關鍵元件,未來五年DRAM與NAND仍為記憶體主要產品,其中NAND的市場需求持續因資料處理應用成長而帶動。但受到物理限制、製程與研發成本不斷攀升,部分產品也將逐步被新的記憶體產品取代,短期DRAM仍持續微縮、改變介電質材料與CMOS結構,以達到等效電容特性;而NAND除了微縮製程外,3D NAND為延續製程技術的主要方式,目前朝48層以上發展高容量、低成本的需求。

中長期仍須突破既有記憶體的瓶頸因此必須找到新的記憶體解決辦法。以下世代記憶體作為替代性產品為例,至少須符合可取代既有記憶體又具有新的特點,才有機會提高市場的滲透率,取代既有記憶體市場的佔有性。其中開發下世代記憶體的三大衡量標準,包括成本、元件效能、可微縮性與密度等,其中成本需考量記憶體顆粒、模組與控制電路等總體;元件效能則包含Latency、Endurance、Retention、Reliability等;可微縮性與密度則是由記憶體單元(Memory Cell)與選擇器(Selector)決定平面與立體等架構。目前以STT-MRAM與3D XPoint為最具潛力的兩個新記憶體選項,前者STT-MRAM主要目標在低密度、高整合性(CMOS平台)的應用,包括車用、工業用與嵌入式產品;後者3D XPoint主要目標在高容量的企業級儲存器與企業級伺服器的非揮發性記憶體模組-NVDIMMs。

(本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師)

* 點閱數4761
更新日期:2020-04-08

回上一頁 回首頁