記憶體3大趨勢,解讀台積電結盟美光的半導體新局

紅色和白色積木

日前台積電董事長劉德音在李國鼎紀念論壇上,提出美光(Micron )記憶體技術已超前三星(Samsung)的事實,這讓我重新思考及研究記憶體產業,也採訪幾位業界領導人如旺宏董事長吳敏求及總經理盧志遠。我想歸納出記憶體產業未來3大趨勢,並與《數位時代》讀者分享。

這3大趨勢分別是:
1. 記憶體典範移轉正在發生,尤其人工智慧(AI)時代降臨,NAND Flash重要性提升,可望從配角變主角,取代DRAM的主流地位。
2. 美光加速研發DRAM及NAND技術,如今已趕上三星。
3. 邏輯IC產品與記憶體產品的整合日益重要,代表案例是台積電及美光合作。

由於篇幅有限,我會花較多篇幅聚焦談最重要的典範移轉趨勢。


資訊爆炸時代,高層數NAND成記憶體主流

首先,談記憶體典範移轉前,應該先科普一下。若把記憶體用速度及價格區分,每一個位元運算速度最快者,價格通常就比較貴,因此,被稱為快取記憶體(cache memory)的SRAM,速度最快價格卻最貴,之後依次是DRAM及NAND Flash;也就是說,NAND Flash速度最慢,但價格也最便宜。

台積電董事長劉德音(中)與多位半導體大老,在李國鼎紀念論壇上分享記憶體產業的發展趨勢。(照片:林宏文攝影)

進一步解釋,記憶體其實可以再細分為memory(存)及storage(儲),台灣過去很少把存、儲分開來看,一概以記憶體稱呼,但有一家中國企業長江存儲取名算相當精確,顯示該公司的終極目標將包括這兩大產業項目。

在存、儲兩大功能中,過去NAND Flash大都扮演儲的角色,是因為處理速度較慢,可以做為儲存長期資料的主要空間,而且全世界資料量愈來愈大,儲的空間需求不斷暴增,因此更需要價格便宜的NAND Flash。

價格一直是半導體普及的關鍵因素,除了製程技術愈先進可以讓價格下降外,NAND Flash與DRAM不同的另一個特色是,可以不斷往上層堆疊,有如蓋摩天大樓。三星第7代NAND Flash已蓋到176層,第8代則達228層,台北101摩天大樓不過是地上101層、地下5層的建築,相較來看,NAND Flash根本就是超高大樓。


因為可以不斷往上堆疊,NAND Flash的電晶體容量大幅增加,每一位元價格也大幅下降,這也是為何NAND Flash的位元數成長速度超過DRAM甚多,並取代掉以前的硬碟,成為儲資料的主流

把資料放在處理速度較慢、但便宜很多的NAND Flash,目前還是可以應付的。舉例來說,現在所有人的電腦手機裡都放了一大堆照片,有時要去找舊照片,點一下0.5秒後照片才出現,消費者應該都還可以接受。

但是,0.5秒對於其他應用如自駕車,那就是慢到會出人命的時間了,因此需要更快速的讀取運算,這時就要交給速度更快的DRAM,讓資料可以快速在微處理器間做運算。至於速度更快的SRAM因為實在太貴,目前則只用到少數利基市場。

再舉個例子,就好像去銀行領錢,但櫃檯給你錢的速度很慢,一個禮拜後才把錢領出來給你,你肯定會受不了。這個比喻有一點誇張,但是,SRAM、DRAM及NAND的速度及價格,就是百倍到千倍的差異,如今價格低最重要,因為資料量實在太多太多了。


典範移轉過程中,美光如何彎道超車?

有這些基本科普觀念後,就可以進一步來看,AI時代因為要處理大量資料,因此微處理器與記憶體間的關係也有變化,尤其是資料輸出入及運算頻率都將大幅增加。傳統上Flash扮演單純「儲」的角色,未來也要開始參與並分攤與微處理器之間的數據運算及輸出入等工作,也就是說,這位配角就要走到前檯,與DRAM都變成雙主角了。

在這個典範移轉過程中,美光目前的技術布局,不管是DRAM或NAND Flash都有超前三星的情況,這是產業界重要大事,因為三星一向是記憶體產業的龍頭及技術領先者,如今三星或許還是產能及市占規模的領先者,但美光展現超越三星的企圖心,對於記憶體版圖將有關鍵性影響。

美光的超前,背後其實有很多因素,包括美中對抗、美國老大哥加持,還有美光研發生產重鎮都在台灣。美光角色更為重要,也讓前述第三個趨勢成形了,因為當記憶體與邏輯IC的整合日漸重要,並成為AI時代下的新顯學時,美光與台積電結盟無疑是強強聯手,尤其是美光台灣董事長徐國晉加入台積電,更讓雙方合作進入一個新階段。

來源:旺宏電子提供記憶體典範移轉


對於台積電來說,與美光合作絕對有加分,因為三星擁有邏輯及記憶體雙重優勢,且現階段台積電最大競爭者是三星而非英特爾(Intel),在記憶體內運算(in-memory computing)如火如荼展開之際,合作有助於相互提攜拉抬。

記憶體是半導體至關重要的一大領域,也是台灣半導體業向來比較弱勢的軟肋,但電子業最迷人之處,就是產業不斷有變動,永遠充滿機會與挑戰,台灣要密切關注記憶體3大趨勢,及早布局、先聲奪人,才能在全球半導體競賽維持領先地位。

記憶體是台灣半導體較弱勢的軟肋,但電子業永遠充滿機會與挑戰,台灣要把握記憶體3大趨勢,才能在全球半導體競賽維持領先地位。

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