近年來，半導體先進製程微縮趨勢帶動下，加上AI人工智慧、5G與AIoT等科技加速推進，3C設備、智慧家電、智慧汽車、智慧城市到國防航太等領域都可以應用大量晶片記錄海量數據。

記憶體是所有微控制器嵌入式系統的主要元件，快閃記憶體（Flash）儲存技術早已成為工控設備的主流配備。近年來，半導體先進製程微縮趨勢帶動下，加上AI人工智慧、5G與AIoT等科技加速推進，3C設備、智慧家電、智慧汽車、智慧城市到國防航太等領域都可以應用大量晶片記錄海量數據。新一代嵌入式記憶體具有小體積、大容量、高效能等特性，可以滿足龐大運算需求，帶動前瞻記憶體研發能量。

新興記憶體出線 MRAM最受業界期待

記憶體大分嵌入式和獨立式NVM。Yole Developpement預測，2020-2026年間，整體新興非揮發性記憶體(NVM)市場的年複合成長率約為44%，隨著新興嵌入式NVM技術顯著成熟，預估2026年eMRAM市場規模為17億美元，約占整體新興eNVM市場的76%。獨立式NVM市場預計2026年達33億美元規模，至於獨立式PCM市場在2026年可望成長達26億美元的規模，占整體獨立式記憶體市場的78%。記憶體技術研發成為兵家必爭之地。

目前記憶體市場仍以動態隨機存取記憶體(DRAM)與儲存型快閃記憶體(NAND Flash)為主流，隨著磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)逐漸成為市場關注焦點，eMRAM市場快速成長，主要半導體業者如台積電(TSMC)、英特爾(Intel)、三星(Samsung)、格芯(GlobalFoundries)、聯華電子(UMC)等相繼投入研發。

另一方面，隨著半導體微縮製程技術的突破，摩爾定律不斷成功被挑戰，DRAM與NAND Flash也面臨微縮挑戰，近幾年，DRAM已接近微縮極限，而NAND Flash則走向3D轉型。除了體積愈來愈小，記憶體也面臨到高速運算等技術障礙。如今的儲存解決方案必須具備高速、低耗電，斷電後仍可保持資料等特性，才能達到「三好」標準：成本更佳、速度更快、效能更好。新興記憶體走在「三好」路上，如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，MRAM 最受業界期待。

若與DRAM面積2,048 nm²、SRAM面積21,000 nm²相比，MRAM的面積僅400 nm²，不用微縮已具有極佳的尺寸優勢。工研院電光所副所長駱韋仲指出，新興記憶體的材料、結構不同，多半維持單一特性，很難趨近完美特性。磁阻式隨機存取記憶體（MRAM）具有可微縮至22奈米以下的潛力，擁有高讀寫速度、低耗電，斷電後仍可保持資料等特性，成為趨近於「完美記憶體」的新興記憶體代表，未來可以整合成先進製程嵌入式記憶體，廣泛應用於AI人工智慧、車用電子、高效能運算晶片等領域，具有極佳的發展前景。

圖1 : 工研院電光所副所長駱韋仲。(source：工研院)

路是無限寬廣 嵌入式與獨立式通用

非揮發性記憶體MRAM是利用高敏感度磁電阻材料所製成，儲存的資料即使面臨斷電也不會消失，而且耗能較低，讀寫速度快，可以媲美靜態隨機存取記憶體 (SRAM)，又比Flash速度快上百千倍。值得一提的是，MRAM的記憶容量媲美DRAM，同時具有處理與儲存資訊等功能，而且可以長時間保存資料，適合應用於高性能存儲場域。

由於微縮製程已成業界常態，DRAM製程多停滯在1X奈米階段，Flash在20奈米之下已轉型3D製程，與DRAM、SRAM及NAND Flash等記憶體縮無可縮的窘境相比，嬌小的MRAM有相對大的調整優勢，製程可達10奈米以下。至於SRAM則有成本與能量損耗的問題需克服。

綜合來說，MRAM集Flash非揮發性技術、SRAM快速讀寫、DRAM高集積度等特性，堪稱「完美記憶體」，甚至可能替代SRAM，未來發展備受業界期待。因此，全球IDM大廠及晶圓代工廠相繼投入MRAM研發，近5年來已經開始應用於產品之上，有希望成為嵌入式或獨立式通用的記憶體。

工研院電光所副所長駱韋仲進一步說明，MRAM與前述DRAM、NAND Flash及SRAM等記憶體不同，基本結構是磁性隧道結，研發難度相當高，主要可分為傳統MRAM及自旋轉移矩磁阻式隨機存取記憶體(STT-MRAM)，MRAM以磁場驅動， STT-MRAM採自旋極化電流驅動。各家半導體大廠近年來投入STT-MRAM研發，產生愈來愈多嵌入式解決方案，這些解決方案可以取代Flash、EEPROM及 SRAM。如三星採28奈米完全空乏型矽絕緣層金氧半電晶體(FD-SOI)製程，格芯的製程已推進至22 奈米；英特爾採用鰭式場效電晶體(FinFET)技術，推進至22奈米製程。

台積電早於2017年5月發表自行研發多年的嵌入式磁阻式隨機存取記憶體（eMRAM）及嵌入式電阻式記憶體（eRRAM）技術，採用先進的22奈米製程。台積電也與台灣工研院共同開發22奈米嵌入式STT-MRAM，採用超低漏電互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術，技術驗證已完成並進入量產，朝16奈米STT-MRAM 發展，可切入下世代嵌入式記憶體MCU、車用電子元件、物聯網及AI等領域。

今年6月，工研院與台積電正式合作開發自旋軌道扭矩磁性記憶體(SOT-MRAM）陣列晶片。SOT-MRAM(Spin Orbit Torque Magnetoresistive Random Access Memory)技術能在低電壓、電流下，達到0.4奈秒的高速寫入，同時具備7兆次耐受度，比歐洲最大半導體研究機構—比利時微電子研究中心高出百倍之多，同時具有超過10年的資料儲存能力。相關技術未來可以整合成先進製程嵌入式記憶體，投入AI人工智慧、車用電子、高效能運算晶片等領域。

圖2 : 工研院與台積電共同開發自旋軌道扭矩磁性記憶體（SOT-MRAM）陣列晶片。(source：工研院)

除了與業界合作，工研院也與陽明交大合作研發工作溫度橫跨近400度的磁性記憶體技術，相關技術發表於國際超大型積體電路技術研討會。

駱韋仲表示，新興磁性記憶體高效能運作技術可以提高記憶體寫入速度、縮短延遲、降低寫入電流與增高使用次數，實驗證實，可以在127度到零下269度範圍內具有穩定、高效能的資料存取能力，橫跨400度溫度的穩定存取能力，代表未來在量子電腦、航太領域等前瞻應用與產業方面極具發展潛力，有助強化台灣在半導體產業的世界地位。

短期內，DRAM與NAND Flash仍將居於記憶體市場主導地位，但隨著三星、台積電等大廠先後投入MRAM記憶體產品研發，有助記憶體技術更新，一旦MRAM成本逐步下降，勢必提升市場普及率，成為未來新主流。

儲存解決方案SOFA

儲存技術與前述記憶體技術優劣息息相關。過去，工控系統的儲存裝置容量不一定要大，但要夠穩定，否則故障發生時，有可能導致整體系統停擺，甚至生產線停機，損失重大。近幾年隨著工業電腦的應用快速發展，儲存技術也漸趨多元，除了需要大量儲存、機房環境較為理想的安全監控外，HDD硬碟較少受到青睞。

工研院資通所組長卓傳育指出，以儲存設備來說，仍以軟體為核心，重視儲存系統快速擴充、高彈性儲存架構及高儲存/傳輸效率等面向。先進的存儲技術使用flash記憶體，其他功能多半是記憶與及時運算，相關的高階應用多與雲端服務業者有關，如Google、微軟(Microsoft)、亞馬遜(Amazon)等業者使用的存儲技術通常較為高規，但高科技存儲設備並不是很普及。從製造業來看，如影音、照片等資料比較需要快速存取與傳輸，不夠快就會有延遲問題，不過，發展較快速的企業可能透過開源技術改進既有設備與存儲技術，調整儲存架構、設計就可以符合使用需求，或者也有業者採購高技術storge解決問題。

隨著雲端運算、人工智慧、物聯網（IoT）及5G技術的加入與催化，存儲需求不再限於Google等雲端業者。由於工控設備必須因應環境與功能需求做出差異化設計，儲存裝置也必須貼合需求，除了客製化，小型化也成為工業儲存的趨勢之一。固態硬碟（SSD）具有體積小、效率高、低噪音等優勢，成為硬碟市場的新主流。

近年來，工研院將研發能量聚焦於雲端儲存同步系統，並透過記憶體式資料處理技術，讓檔案處理速度加快為傳統資料庫的八倍。以工研院研發的全快閃儲存陣列管理技術（Software Orchestrated Flash Array；SOFA）為例，主要功能在於聚合一台伺服器上所有的快閃磁碟空間，以及讀寫能力，匯聚成一個擁有大容量且速度極快的儲存池，可於一般通用硬體上提供超過100萬次輸出入（IOPS）的資料存取速度。使用者可以單顆磁碟使用儲存池，或透過虛擬磁碟管理功能，依照使用者需求建構虛擬磁碟，不同使用者或不同應用程式都可以共用該儲存池。

圖3 : 全快閃儲存陣列管理技術（SOFA）。(Source：工研院)

SOFA內建RAID 5/6及快照的保護功能，有助資料保護，在提供保護的同時，仍舊維持一百萬IOPS的效能，同時達到軟硬體所需CPU資源分配最佳化及自動化分配。此外，SOFA還搭配背景壓縮及去重複等功能以節省空間，適合需要高速讀寫效能的應用程式，如資料庫應用程式（MySQL，Oracle）、高效能運算（HPC）、虛擬桌面（VDI）等。

隨著AI人工智慧與企業雲端儲存市場漸趨成熟，SOFA提供另一種管理快閃記憶體磁碟陣列的軟體解決方案，可以在一般硬體平台上，透過網路對外提供高效能儲存服務。快閃記憶體磁碟陣列伺服器可藉由SOFA提升存取效能，在完善配置條件下，伺服器透過網路對外提供4KB區塊的隨機存取速度，支援以RAID5集合磁碟陣列，並突破傳統RAID5的效能瓶頸，提升10倍的讀寫效能，透過跨磁碟的平均抹寫技術(Global Wear Leveling)，可以延長整個磁碟陣列的平均壽命達2倍。

圖4 : 超高速長效全快閃儲存陣列管理技術可於一般通用硬體上提供超過1百萬IOPS的資料存取速度。(source：工研院)

台灣優勢：從邏輯製程切入

在記憶體與工業儲存技術研發領域中，仍是全球半導體大廠的天下，除了台積電、聯電、旺宏等少數電子業者，台灣業者可以切入的領域不多。不過，工研院電光所副所長駱韋仲認為，嵌入式記憶體與邏輯製程有關，而台灣在邏輯製程方面居於領先地位，可以切入與邏輯相容或具有共通性的製程，找尋邏輯製程可以微縮的利基，或者從調整架構、材料、成分做起，如果可以做出特別的嵌入式記憶體，對台灣半導體產業地位來說，加分很大。

記憶體有很多不同架構，大家都在尋找「最完美記憶體」，現在已經有前述幾種新興記憶體在某些領域量產，但還需要進一步探勘，駱韋仲認為，台灣優勢不只有邏輯，還有記憶體、封裝，先進製程也很成功，「未來不會只針對單一元件，而是強調系統整合概念，這種系統層級的創新是台灣很大的機會。」