<p>神探福爾摩斯利用「記憶宮殿」的技巧，把資訊儲存在立體的想像空間的特定位置，來達成超凡的記憶力；從平面走向立體三維的製程，同樣也讓電腦機器中的記憶體效能大大提升。臺灣以先進製程開發的「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」，如立體停車塔的三維結構，讓半導體領域技術更上一層樓！</p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">科技在走，記憶體製程改進也要有</span></strong></h2>
<p>半導體界中，比起主掌運算、追求高速運轉的邏輯電路，在一旁默默儲存資料的記憶體看似不起眼，但要讓機器可以做出判斷和執行任務，就必須擁有流暢存取指令與資料的能力。肩負這項重責大任的<span data-component="tippy" data-content="記憶體可分為揮發性與非揮發性兩大類型，前者斷開電源後記錄便會消失，例如電腦的快取記憶體所使用的靜態隨機存取記憶體（Static Random Access Memory, SRAM）；後者即使斷開電源仍會保留紀錄，例子包括用於隨身碟、硬碟的快閃記憶體（Flash memory）">記憶體</span>，就是利用電力控制，能夠保留、儲存資料的電子裝置。隨著行動裝置、物聯網、自駕車等巨量運算需求的科技興起，對記憶體小體積、大儲存容量、高存取速度等性能的要求也越來越高。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/6-1_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">目前市場主流的記憶卡、隨身碟與硬碟，都是由快閃記憶體製成。</div>
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<p>以目前市場主流、用於隨身碟和硬碟的 <span data-component="tippy" data-content="快閃記憶體（Flash memory）依特性與應用，可以分為儲存資料（data storage）的 NAND Flash，以及儲存編碼（code storage）的 NOR Flash">NAND Flash</span> 記憶體為例，旺宏電子的盧志遠總經理解釋，過去靠著製程技術微縮，在單位面積中放入更多電路來增加儲存容量，但在 15 奈米時便遇到瓶頸。後來 3D 技術的研發，利用高層數堆疊取代平面微縮的製程，使得相同尺寸的產品，能以更低成本生產出更高的儲存容量。</p>
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<p>「就像從平房變成蓋高樓，一樣的建地面積，可以住進更多人。」盧志遠總經理如此形容。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/6-2_670x460.jpg"></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">三維記憶體像立體停車場一樣，在不改變佔地面積的情況下，藉由增加樓層數來創造停車位。</div>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">像立體停車塔一樣的三維記憶體</span></strong></h2>
<p>除了改進既有記憶體的製程技術，半導體界還有另一群備受期待的選手——次世代記憶體，如電阻式記憶體（RRAM）、磁阻式記憶體（MRAM）與相變化記憶體（PCRAM）。其中，<span data-component="tippy" data-content="電阻式記憶體（Resistive Random Access Memory）的運作原理，是對記憶層施加電壓脈衝使其改變狀態，藉由高低電阻值的變化，來記錄資訊">電阻式記憶體</span>結構簡單、製造成本低廉且耗電量低，是業界重點投入研發的對象之一。</p>
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<p>同樣以三維堆疊的方式製造，「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」的特殊陣列方式，大幅增加記憶體容量與資料讀取速度。這項技術由清華大學電子工程研究所的金雅琴教授與半導體學院主任林崇榮教授，與領先半導體廠商攜手合作研發。</p>
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<p>林崇榮教授將記憶單元比喻作一輛輛車子，説明「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」就像一座有很多汽車電梯的立體停車塔。其結構不僅可以容納更多記憶單元，在原有單個平面面積上，還能垂直讀取寫入 10 個垂直記憶單元，相當於每 10 輛車就有 1 臺電梯，能迅速有效地在有限空間中停泊與移出資料。一般平面單層只能達到 0.1 Gbit/mm2 的記憶體密度，但團隊目前研發的原型晶片，其 5 層結構已將記憶體等效密度大幅提升到 1.6 Gbit/mm2，未來也預期往更高層數發展。</p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">不斷挑戰極限，尋求高相容、跨世代的解方</span></strong></h2>
<p>「這項技術最大的創新點在於能與邏輯電路相容，是具有可微縮性，能跨世代使用的。」</p>
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<p>金雅琴教授指出，作為運算單元的邏輯電路製程飛速發展，能否做出與之匹配的記憶體，便是一大挑戰。團隊研發的電阻式記憶體，是利用現有標準半導體 <span data-component="tippy" data-content="當電晶體尺寸越來越小，其上藉著電壓觸發開啓通道讓電子通過、產生電流讓晶片運作的閘極，便越來越難控制，導致漏電流問題，即短通道效應（Short Channel Effect）的發生。為了解決漏電流造成能源消耗的情況，科學家從平面改以垂直立體的設計，有效增加與閘極的接觸面積。由於通道側看就像是魚鰭，因此取名為鰭式電晶體（Fin Field-Effect Transistor, FinFET），16 奈米以下都以 FinFET 解方製造，台積電為蘋果、超微（AMD）與輝達（NVIDIA）等國際企業代工的半導體製程即為此例">FinFET 技術</span>後端製程之金屬導線製作而成，可以完全相容且嵌入現有的<span data-component="tippy" data-content="又稱高效能運算晶片（High Performance Computing Chips, HPC chips）是集結大量功能強大的處理器，進行平行運算，達成高速處理複雜問題（如大數據資料集）的技術，其系統可以比現有最快的商用電腦與伺服器快上一百萬倍">高速運算晶片</span>。這個與產業接軌的整合式設計，緊貼邏輯電路的結構，可以在半導體尺寸不停微縮的技術節點上持續使用，不會因跟不上邏輯電路日新月異製程的演進而被淘汰。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/6-3_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">在現有標準半導體 FinFET 製程上由 5 層銅金屬導線製成之「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」結構。</div>
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<p>談及研發中遇到的挑戰，金雅琴教授表示，由於半導體的設計涉及不少現有的規範，即使提出的構想在物理上可行，但廠商能否配合製作並不一定。為了堅守記憶體相容性高與可跨世代應用的特點，團隊也下了一番功夫與合作代工廠協調溝通，不停嘗試推進製程的極限。</p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">記憶體運算突破現有馮紐曼瓶頸</span></strong></h2>
<p>現行所使用的<span data-component="tippy" data-content="於 1945 年問世的馮紐曼結構，奠定了現代電腦的兩大原則，即捨棄十進制、改以二進制運算和儲存資料，和將被執行的程式放入記憶體中，需使用時再從記憶體中讀取。在馮紐曼結構下，電腦被分為五個單元：控制器、運算器、儲存器、輸入設備與輸出設備">馮紐曼結構</span>中，記憶體與處理器分屬不同晶片，系統運作時，處理器必須持續從記憶體讀取資料，因此受限於資訊傳輸率的頻寬大小。兩者之間的資料傳輸率遠比記憶體容量來得小，拉低了整體運算效率。這就像存放工具建材之處（記憶體）與施工地點（處理器）在不同場址，即使有很大的庫存空間（記憶體容量大）、施工技術提升（處理器運算速度快），但礙於兩地連接通道非常窄小，建材工具運輸效率低下，拖沓施工的進度。</p>
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<p>團隊所研發的電阻式記憶體，因可直接利用記憶體單元的類比特性進行運算，將記憶單元與資料運算單元整合於單一電阻式記憶體中，達成記憶體內運算（In-Memory Computing）。因為二者合一，即無須進行額外的資料搬移，徹底解決馮紐曼瓶頸，就像直接使用在地建材施工一般。進入大數據與人工智慧世代，能改善延時與減少耗能的記憶體內運算，將是發展尖端科技如邊緣運算的關鍵。</p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">三維記憶體讓臺灣半導體產業更上一層樓</span></strong></h2>
<p>作為可内嵌入現有邏輯電路的記憶體，金雅琴教授期許「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」的研發，能讓晶圓代工產業提供客戶記憶體功能上更多的可能性，成為關鍵的加值服務，讓臺灣半導體在國際上持續擁有競爭力。</p>
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<p>半導體的國際戰場日益白熱化，儘管臺灣在邏輯晶圓代工表現特出，但現有記憶體產業仍與韓國與美國有甚大距離。盧志遠總經理提醒道，若不能維持進步，甚或在下一個世代技術稍有落後時，都可能很快地從領先者變成追隨者，因此必須隨時自我警惕。林崇榮教授也點出，即使半導體產業技術前進與大量擴廠，但優秀的國内人才需時間資金培養，過多利用國外研發人才又有技術外溢的隱憂，如何確保人才充足，將是臺灣半導體中長期最大的挑戰之一。</p>
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<p>（客座總編輯｜國家實驗研究院台灣半導體研究中心 侯拓宏主任；研究顧問團隊｜清華大學電子工程研究所 金雅琴教授、清華大學半導體學院 林崇榮主任、旺宏電子 盧志遠總經理；責任編輯｜曹盛威、劉品萱）</p>
