尋找快閃記憶體接班人

[mancool]

快閃記憶體（Flash Memory）──這是用來讓手機、工業設備做為資料儲存之用的晶片技術，也可做為可攜式的記憶卡。根據工程師、分析師，以及業界人士指出，目前快閃記憶體正面臨成長的關鍵時刻。雖然需求強盛，但是在2005年之後將面臨晶片難已再縮小的窘境。

如果快閃晶片無法再縮小，那麼毛利可能就會縮水了。也因此，一些公司正在做一些材料與半導體設計的實驗，可能強化，或者甚至最後會取代半導體目前的最佳設計。

晶片業的鉅子英特爾正在實驗OUM（Ovonics Unified Memory）技術，這種技術使用和DVD碟片一樣的材質。同時，Motorola則試圖要以奈米晶體（nanocrystals）以一層矽原子柵欄來取代電晶體裡的固態層。奈米晶體的晶片預計會在2006年問世。

其他可能的取代性技術還有：磁性隨機存取記憶體（MRAM），但並非真的是磁性的；鐵電子隨機存取記憶體（FeRAM），會在晶體上改變原子；以及聚合物記憶體，用液晶顯示器的材料所製造。

Tom Lee是史丹佛大學的電子工程副教授同時也是Matrix半導體公司（製造快閃式功能的3D記憶晶片的公司）創辦者，他表示，「延伸法則不太適用於快閃記憶體。」「現在市場上各種不同意見的聲音越來越大，所以看來似乎廠商們已經步入毛利萎縮的新世代了。」

至於未來會有何改變，大家意見不盡相同。有人說，明年開始就會有替代型的晶片進入記憶體市場。有人則認為，現在既有替代方案的一些瑕疵──再加上過去的歷史證明，業界會為既有的技術進行改良，因此保證現有的快閃記憶體還有十年光景。

此外，要達到莫爾定律（Moore's Law）的標準，有很多的工程問題要解決。這條業界的金科玉律是出自英特爾創辦人高登莫爾（Gordon Moore），說的是一塊晶片內的電晶體數大約隔兩年就會加倍一次。

那麼，快閃記憶體晶片是否能夠追得上這個發展腳步？2005年開始將近入的65奈米晶片製造技術將可讓晶片公司生產出比傳統快閃晶片更小的產品，但是Motorola半導體部門的記憶體裝置經理Ko-Min Chang表示，「會非常的痛苦」，「從物理的觀點來看，是否能夠製造還有待觀察。這種製造技術很快就能夠縮小手機的大小。」

這樣的挑戰兼負著數十億美元的商機。業界預估，今年快閃記憶體的產值將從2002年的77億美元成長到130億，Semico Research的記憶體服務主管Jim Handy表示，到了2007年，快閃記憶體可望達到430億美元的產值。

由於快閃記憶體能夠在斷電或者是沒電、關機下將資料儲存在裝置內，因此在手機，及手持式裝置裡是個關鍵性零組件。

Handy表示，到了2004年，快閃記憶體的產值將與DRAM旗鼓相當，到了2006年將超越DRAM。「全世界所消費的位元數（bits）每年都會加倍。」

在這樣的數字背景下，製造商當然要做出正確的決策。下注在NAND快閃的三星電子（與現有市場主流的NOR快閃不一樣的快閃記憶體），從2001年第八大快閃製造商直竄到2002年的排名第二。另一方面，每年其價格也都會下跌大約50%，也因此選錯技術可能會是萬劫不復，也是不足為奇的。

意外的快閃晶片

一些專家在談快閃記憶體時一定會談的第一件事就是：技術上，它是很矛盾的。快閃晶片是電子的東西，也就是說，它們需要用電子來儲存資料。而且，快閃記憶體會在電腦主機或是手機關機之後，保有資料。相反的，DRAM（PC裡所用的），則會在電腦一關機時就失去資料。

英特爾的技術與製造事業群的副總裁Stefan Lai表示，「快閃記憶體原本應該是不成立的。」

其中的關鍵就在快閃電晶體的「閘」（gate）──也就是快閃晶片內部的微小開關上。閘包覆在一層防止漏電的二氧化矽裡，電腦依裡面的是否充電，將記憶體內部的單元讀為「1」或「0」。

二氧化矽絕緣層可以讓浮動閘的電晶體保有資料達10年之久，而新的資料也可以寫入快閃晶片裡達上百萬次。

SanDisk創辦人兼執行長Eli Harari表示，「可以想像一瓶子的水：一但水裝進去之後，就永遠在那裡了。」

絕緣層一方面是快閃技術的重要秘方，同時也是問題的根源之所在。現在包覆快閃晶片的二氧化矽大約是90埃厚（1埃angstrom等於1億分之一米，比氫原子還要小），未來可能縮小到80埃。如果太薄，可能造成漏電，或者導致資料的損壞。

反過來，如果太厚，則會有電力問題。讓電子通過浮動閘的電力大約要10伏特（要啟動處理器電晶體需要更多電壓），Lai表示，「因為絕緣做得很好，所以就需要一些電壓。」

此外，如果降低晶片的大小，某一單元的電壓可能就會影響到隔壁的單元，造成資料的錯誤。

現在這些問題都是有辦法解決的。然而，一到了2007年跨入了45奈米製程之後，這項工作就變得非常困難了。

Lai表示，「到45奈米之後，我們恐怕就便不出新把戲了。」

這些問題若無法解決可能直接影響到經濟面。例如，英特爾目前每升級一次的製程，大約能夠讓快閃記憶體減去一半的大小。晶片縮小之後，就可降低整體的製造成本，提高每片記憶體容量，因此提高其價值。

然而，Lai表示，初期的實驗指出，在45奈米製程下，晶片只能縮小35至40%。雖然Lai表示英特爾應該有辦法克服該問題，然而Motorola與其他廠商就沒如此樂觀。

三星、Toshiba、SanDisk，以及其他廠商都表示，專注在NAND快閃上就能夠克服45奈米製程的障礙。近來，「NOR」已經成為「快閃」（Flash）的代名辭了，這是由英特爾與AMD所稱產的記憶體類型。而NAND最近也越來越受歡迎，2002年佔去市場20%。

NAND與NOR的真正戰場將會是在手機上，三星的行銷副總裁Tom Quinn表示，「NAND較小較適於手機，而且更容易擴充。」

不過，非NAND陣營的人則指出，NAND未來也有其困難：密度、耗電量，以及速度等問題。

解決方案

最後，材料與架構問題都需解決。不幸的是，現在都未找到答案。

英特爾的技術長Pat Gelsinger表示，「還沒有人有其他可製造的記憶體技術。」「每個人都可以做出些什麼東西──但沒有一樣可量產的。」

AMD方面則試圖要在其MirrorBit產品線裡，讓每個記憶體單元內放進4位元的資料。傳統的快閃記憶體是一個單元儲存1位元資料，較高價的產品則可儲存2位元。如果能把它提高到4位元，就可以在不縮小晶片下取得經濟效益。

AMD記憶體事業群的工程副總裁Mike VanBuskirk表示，「這可延緩進入45奈米製程。」

包括英特爾與SanDisk都在一個單元裡儲存2個位元，他們則批評指出，4位元的做法會產生一些電子訊號的問題，因為這個做法將造成有16種不同的「0」與「1」的組合，增加技術的難度。

Motorola的方法則是採用矽的奈米晶體。在這項計畫裡，將用一層的晶體來取代絕緣層的二氧化矽。雖然矽是電子的導體，但是在這種替代材料的量子層級上，它變成了一種絕緣體，捕捉電子之用。這讓Motorola可以縮小絕緣體，以及單元的大小。

Chang表示，「我們認為，我們可以達到以一半的大小得到相同密度的目標。」他說，2005年將開始出貨工程樣品給大型客戶，之後半年就可以開始量產。SONOS（矽氧化氮氧化矽），氮化矽的可能替代方案，也在Motorola的實驗室裡。

奈米晶體有什麼意義？現在，Motorola是最積極推動這種技術的少數公司之一。

另一方面，英特爾則在試驗OUM技術，這是有別於傳統快閃記憶體以補捉電子為基礎的省電技術。反而，硫硒碲玻璃（chalcogenide）基層上的微針腳（pinpoints）會很快的加熱。依冷卻速度的不同，不是變成不定型，就是結晶化。不定形及結晶區就會存在不同的電阻，這種差別就可讀取為「0」與「1」。

Lai表示，「進展不錯。」他指出，英特爾在Ovonics上的投入比4位元技術（如AMD）的還要多，「現在的挑戰是如何以低成本來生產。」但是還有個問題就是，如何維持華氏600度的高溫。

另外還有一種名為聚合鐵電隨機存取記憶體（PFRAM）的技術，又名「塑膠記憶體」。這種技術的主張是，把儲存資料的材質一層層堆疊到3D的晶片上。藉由向上而不是向外發展，製造商可以在單一的晶圓上擠出更多的晶片──大幅降低成本。此外，它利用現有的印刷電路板製程並不需大筆的投資，可輕易的採用現有的產能。

除了Matrix，還有英特爾與AMD都在研究塑膠記憶體。

問題在於，塑膠記憶體的讀取速度很慢。此外，現有的技術水準無法清除或複寫資料──例如在Matrix所開發的晶片上，以光來讀取所燒好的細微孔洞。Matrix已延後其預定在2002年商品化晶片的發表到2003年。

其他替代方案還有FeRAM，MRAM。FeRAM使用很低的電力，由德州儀器所支持。MRAM則是由多家公司所支持。

Detractors指出，這兩種技術相對上都會讓晶片很大。MRAM另一項讓人不敢領教的原因是，其儲存資料的原理是要控制補捉到的電子的旋轉，電腦要偵測出這種旋轉所造成的細微電阻差異。

不管這些技術是以舊的架構或者是未來性的方案為基礎，所有要替代快閃記憶體的技術的第一號勁敵都是現有產能的幾十億美元投資。製造商最後的選擇，都會是不致於影響到其財報的方案。

Lee表示，「只要有錢可以賺，工程師一定做得出來的。」(郭和杰)



快閃記憶體簡史

發明：

1984年由當時在東芝公司任職的藤尾增岡(Fujio Masuoka)率先提出快閃記憶體概念。

名稱由來：

快閃屬於非揮發記憶體，即使電腦關機資料依然還留存在晶片上，與一般電腦記憶體不同，且可在「一閃間」(flash)儲存資料，故名之。

NOR vs. NAND:

NOR與NAND是兩大相互競爭的快閃記憶體架構。NOR在存取資料的速度較快，但容量卻不如NAND。英特爾與AMD製造NOR晶片，目前約佔了市場八成。東芝與三星則製造NAND晶片，銷售成長速度驚人。

成長率：

快閃晶片內的位元數幾乎每年都以倍增速度增長。

營收：

根據Semico研究公司數據，快閃營收在2001年達73億美元規模，今年預計可達139億美元，並在2005年達207億美元，2007年達430億美元。