現代電子產品中，記憶體扮演著不可或缺的重要的角色。除了儲存使用者的資料，記憶體也負責存放中央處理器所執行的程式碼，以及運算過程中需暫時保存的訊息。簡單的來說，記憶體可分為兩類：揮發性記憶體(Volatile Memory)與非揮發性記憶體(Non-volatile Memory)。揮發性記憶體的資料會在斷電後消失，下次供電後必須重新輸入；而非揮發性記憶體所儲存的資料即使切斷電源仍然存在，重新供電後可以直接讀取早先儲存的有效資料。

現代非揮發性記憶體雛形－浮閘電晶體

非揮發性記憶體最早是由施敏博士在1967年發表並獲得專利（註1）。施敏博士生於中國南京，幼年時隨父親移居台灣，台灣大學畢業後至美國攻讀研究所。取得華盛頓大學電機工程碩士與史丹佛大學電機工程博士之後，進入著名的貝爾實驗室工作。施博士在貝爾實驗室工作期間，與韓裔同事姜大元共同研究發明一種稱為Floating-Gate(浮閘)的電晶體元件，成為現代非揮發性記憶體的雛形。

圖一：浮閘電晶體圖示
圖片來源：http://elec424.rice.edu/gigamesh/images/Floating_Gate_Transistor.png

浮閘電晶體結構，如圖一所示，是在一般的電晶體中，增加一個浮動閘極(Floating-Gate)。浮閘的上下都有絕緣體，因此從電路結構來看，其電位是浮動的(floating node)。如果在控制閘極(Control Gate)施加臨界電壓(Threshold Voltage)，則讓電流可以在Drain與Source之間流動，而此臨界電壓的高低會受到浮閘是否存在電荷而改變。浮閘中存在電荷時的臨界電壓VT0，會比浮閘中不存在電荷的臨界電壓VT1來得高。因此，如果在控制閘極施加介於VT0與VT1之間的電壓VT，只要測試元件是否通過電流，即可判定浮閘中存在電荷與否。換句話說，一個位元的資料，可以利用有電荷(邏輯0)，或無電荷(邏輯1)的方式，儲存在浮閘中。浮閘周圍有絕緣體隔絕，斷電後原先存在的電荷依舊被限制在浮閘中不會消失，屬於非揮發性記憶體。不管是快閃記憶體(flash memory)或是EEPROM，都是根據浮閘原理所衍生的產物。

如何將電荷注入浮閘中儲存呢？以快閃記憶體來說，注入電荷的方法是施加高電壓，讓電荷突破絕緣層的限制，跳入浮閘中。清除電荷時則施加反向高電壓，如此一來電荷會被吸引而離開浮閘。

這種注入或匯出電荷的程序，次數多了會造成絕緣層永久性的破壞。一旦絕緣層被破壞，浮閘將無法保存電荷，也就無法再儲存資料。傳統快閃記憶體每個位址可以儲存或清除資料的次數，從數千次到數十萬次不等，依製程的條件而定。雖說現在我們常見的快閃記憶體產品，例如USB隨身碟，及固態硬碟(SSD)等等，多半具備動態位址對映控制(記錄每個記憶體元件寫入或清除的次數，將常用的邏輯位址分配到不同元件)或是備用元件(當某個元件發生錯誤，可利用備用元件取代)等額外防護措施，使用者一般不會注意到記憶體元件失效的情況，但這個物理限制對於需要大量更換儲存內容的系統來說，仍然是一大隱憂。

另外一個值得注意的缺點是，由於電荷的注入與匯出需要較長的時間，相對於揮發性記憶體如DRAM、SRAM，浮閘結構的非揮發性記憶體，寫入或清除資料速度較慢，存取效率比不上DRAM或SRAM，因此不適合作為高速中央處理器的暫存空間。

新式記憶體的需求

自40多年前「浮閘記憶體」發表以來，它已經從一個實驗性質的概念，發展成現代電子業的重要基石。隨著記憶體製程的微縮，這類浮閘式電荷保存記憶體元件，逐漸面臨物理極限的挑戰，速度與容量很難大幅改進，因此業界很早就開始尋找下一個非揮發式記憶體的替代品。

甚麼樣的元件適合當作記憶體？首先這元件必須具有可改變的特性，用來代表不同資料。再者，可改變的特性要容易辨識，換句話說容易被讀出來。由於是電子產品，因此代表資料的「特性」須跟電性有關。最後，記憶體元件要能配合現有的半導體製程，達到單位密度越來越高，耗電越少越優的標準。

符合以上條件，具備可改變又容易辨識的特性，且不會隨著斷電而資料消失的元件，就可以拿來當成新型非揮發性記憶體的基本架構。目前業界最具代表性的技術有三種：磁阻式記憶體(MRAM)、相變式記憶體(PCRAM)、以及電阻式記憶題(ReRAM)。其實，這三種技術的基本架構相當類似，它們都具有像三明治一樣的結構，根據導電性的差異，決定儲存的資料。差別只是材質不同，以及改變導電性的原理不同而已。

磁阻式記憶體(MRAM)

磁阻式記憶體利用施加不同的磁場，來改變元件導電程度。當上下層磁化方向相同時，元件呈現低電阻狀態；而當上下層磁化方向不同時，元件呈現高電阻狀態。實際操作時，固定某一層的磁化方向，改變另一層的磁化方向寫入資料，當電力消失後，元件的電阻狀態不會消失，因此適合做為新式非揮發性記憶體的材料候選。

圖二：磁阻式記憶體結構
圖片來源：維基百科

自1990年代開始發展以來，磁阻式記憶體的支持者認為它讀取速度快、低耗電，又具備斷電後保持資料的優點，將取代現有的DRAM與快閃記憶體，一統江湖，成為「通用記憶體」。各大半導體廠不想落後他人，紛紛投入研發的行列，然而卻一直處於「只聞樓梯響」的狀態。反倒是一些小廠積極推出產品，爭取應用在利基市場的機會。2008年從飛思卡爾半導體公司(Freescale)獨立出來的Everspin Technologies公司(公司網址：www.everspin.com)就是其中之一。

相變式記憶體(PCRAM)與電阻式記憶體(ReRAM)

電阻式記憶體與相變化記憶體結構上十分相似，在上下電極層中間，包覆著一層記憶層。記憶層由特殊材質構成，其導電性可加以改變。

 
圖三：PCRAM與ReRAM基本結構

相變式記憶體的記憶層材質與可讀寫DVD的材料相似，它是一種可以利用光或電來加熱，從而改變材料結晶狀態的特殊材質。當記憶層處於結晶狀態(crystalline phase)時，它的電阻很低；當記憶層處於非結晶狀態(amorphous phase)時，它的電阻值會變得很高，電性差異頗大。如果將記憶層迅速加熱且迅速冷卻，記憶層將進入非結晶狀態；反之如果慢慢加熱且緩緩冷卻，記憶層將進入低電阻的結晶狀態。藉由不同的加熱方式，改變記憶層的結晶狀態，這就是相變式記憶體的操作原理。

至於電阻式記憶體的記憶層材質是一種介電質(dielectric)，其導電性可利用外加電壓改變。不同材質的介電質，操作方式不一樣，有些是雙極性的(bipolar)，施加一個方向的電壓可由高電阻轉變成低電阻，施加反方向的電壓則可以由低電阻轉變成高電阻。有些是單極性的(unipolar)，施加同一方向但不同大小的電壓，會決定記憶層變成高電阻還是低電阻。

相變式記憶體的缺點在於其記憶層的材料非半導體製程所常用的原料，製造過程有汙染的風險。另外，熱度會造成記憶層結晶狀態的改變，隨著半導體製程的微縮，「熱擾動」的影響將越來越嚴重(加熱某一元件寫入資料時，旁邊元件所儲存的資料值可能受到這個熱度的影響而改變)。而電阻式記憶體的製程簡單可製成高密度的記憶體，其導電度的變化大容易判讀，甚至電阻值可根據施加電壓的不同，有不同層次的變化，適合做多層次儲存(MLC，單位元件可以記錄不只一位元的資料)。然電阻式記憶體的材料原理眾說紛紜，只知道材料有如此的特性，但對於這些表徵的原理，缺乏一致普遍性的說法。

圖四：各種記憶體對照表 (淺紅色框表示不利的條件)
資料來源：http://www3.pucrs.br/pucrs/files/uni/poa/facin/pos/relatoriostec/tr060.pdf

圖四顯示各類記憶體的對照表。以上述三種新型非揮發性記憶體來看，磁阻式記憶體的速度最快、耗電量最低，但記憶體單位最大。相變式記憶體的體積小、耐用度高，但讀寫所花費的時間最長。電阻式記憶體密度高、速度快，在這三種新式記憶體中，最受業界期待。其中，一家名為Crossbar的新創公司(公司網址：http://www.crossbar-inc.com)，在2013年就已經推出1TB ReRAM的產品，2014年進入量產，積極投入市場。

兩強聯盟引爆話題

以上所述新式非揮發性記憶體的原理，都不是最近才發現的，早在幾十年前就已經被提出。無論是學術界或是半導體界，均投入不少的研發精力，然而距離全面商品化都欠缺臨門一腳。漸漸的，是要投入新式記憶體的研發與生產，還是就技術上已經非常成熟的DRAM與快閃記憶體加以改進，繼續提高它們的速度，增加密度與容量？已成為各大半導體廠必須面臨的抉擇。

2015年7月28日，英特爾(Intel)與美光(Micron)共同宣布，一種被命名為3D XpointTM的新型記憶體，已經研發完成，即將由英特爾的半導體廠量產，最快將在2016年正式問世。這消息無疑是在原本平淡沉悶多年的記憶體產業，投下一顆震撼彈！

圖五：3D XpointTM 技術
圖片來源：截圖自Intel Micron Webcast https://www.youtube.com/watch?t=647&v=VsioS35D-HY

根據這兩家公司的說法，這個新型的記憶體與快閃記憶體不同的是，它不是利用移動電荷來代表所儲存的資料，因此它存取的速度更快且省電。相較於現有的快閃記憶體技術，3D XpointTM的速度快上千倍，達到與DRAM相近的效率。採取立體3D堆疊方式，使得這個新型記憶體的密度比DRAM大上10倍。更重要的是，它是個相當耐用的非揮發性記憶體，記憶體單元可承受寫入或清除資料數達百萬次而不被破壞。

圖六：記憶體發展歷史
圖片來源：截圖自Intel Micron Webcast https://www.youtube.com/watch?t=647&v=VsioS35D-HY

這個各項指標看起來皆相當優異的新型記憶體，到底是怎麼做出來的呢？關於細節，這兩家公司面對媒體詢問打死不說，不過，由於之前美光在ReRAM技術上已投入不少心力，普遍認為，美光應該是在電阻式記憶體的材料研究上獲得重大突破，並找上英特爾一起合作生產，猜想3D XpointTM記憶體屬於電阻式記憶體的可能性最高。事實上，這兩家公司直接表明3D XpointTM記憶體並非PCRAM。如果不是PCRAM又與MRAM相差甚遠，那只剩下ReRAM了。

我們從美光在2013年所遞交的一份美國專利申請書，也可略見端倪。這份名為「Cross-Point Memory and Methods for Fabrications of Same」的發明專利，詳細描述了製造柱狀立體記憶體的流程。其特徵與所公佈的3D XpointTM結構如出一轍，可見美光的策略是將容易檢視與複製的記憶體結構與製造方法，利用專利申請來加以保護；至於不容易探測的材料配方則視為營業秘密，不對外公布。

圖七：「Cross-Point Memory and Methods for Fabrications of Same」專利申請書
圖片來源：美國專利商標局 www.uspto.com

現今的記憶體市場幾乎2/3是由韓國的三星與SK海力士所把持，美光雖然穩居老三，但離第一名與第二名的距離卻越來越遠，想突破困局只能另闢戰場。英特爾這幾年一直希望進入行動裝置市場爭取一席之地，卻始終沒有獲得重大成就。這兩家公司都有動機，欲在新式記憶體的領域中，爭取先機，搶佔最佳地位。英特爾憑藉著在中央處理器(CPU)的霸主身分，對於記憶體未來的發展趨勢，有著不可忽視的影響力，加上美光對各式記憶體累積多年的設計經驗與研發實力，美光與英特爾合作，應該可以發揮一加一大於二的效果。預計這項新式記憶體的應用推廣，首先將是針對企業級的資料伺服器，推出固態儲存硬碟(Solid State Drive, SSD)（註2），未來將計畫推出DIMM插槽形式的記憶體，以及支援筆記型電腦的產品。

3D XpointTM記憶體短期內，應該還不致於對現有的快閃記憶體，或是DRAM市場造成立即的影響，但這是第一個由知名大廠聯合強力推出的新式記憶體產品，意義非凡。英特爾過去曾在DRAM從SDR推展到 DDR時，選錯邊而遭受重大挫敗。此次是否能記取教訓，準確掌握技術與市場需求的趨勢，尚需一段時間的觀察。

備註

1. USPTO, Patent Number 3500142,「Field Effect Semiconductor Apparatus with Memory Involving Entrapment of Charge Carriers」,assigned to Bell Telephone Laboratories, granted on March 10, 1970
2. http://asia.pcmag.com/opinion/5239/idf-kicks-off-with-3d-xpoint-ssds-curie

作者： 徐文芝 現任： 北美智權 教育訓練處 研發創新顧問 經歷: 美國Marvell公司 資深工程師 美國普渡大學電機工程碩士 專精技術領域：數位ＩＣ設計、影像處理、記憶體控制、系統晶片設計

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