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記憶體體制的未來演變

  • 林育中
目前半導體對於記憶體體制的處理方式是用不同材料、不同運作機制,提供不同特性的記憶體/儲存器,層層部署。符世旻

嚴格來講,是記憶體(memory)和儲存器(storage)。前者是指在運算中的暫存器,譬如SRAM和DRAM;後者是資料永久儲存的器件,如NAND、HDD甚或仍在服役的磁帶。之所以會有這樣複雜的樣態,最主要的原因是CPU運算速度與儲存器讀寫速度之間存有巨大落差。所以從CPU與最終儲存器之間,必須建立數層的中介記憶體來轉換,CPU與幾個層次的髙速緩存(cache)SRAM整合在一起,然後外接速度較慢、但每位元價格稍便宜的DRAM,最後到速度差幾個數量級、但每位元價格最低廉的的SSD,這就是現存所謂的記憶體體制(memory hierarchy)。

這樣層層的轉送變成現在運算最大的速度和能耗瓶頸,單從能耗來講,計算機從儲存器擷取所需要的數據層層上傳、運算完又層層回送儲存,這些傳遞所損耗的能量佔整個過程的80%以上。至於速度更不用講了,運算CPU的速度與儲存器的速度有好幾個數量級的差距,雖然可以用中介記憶體的處理來減少怠速,但一個完整的運算/儲存週期大部分的時間是用在傳遞和儲存資料。

之所以有這樣的困境是因為幾乎所有的儲存器或記憶體都面臨這樣的兩難:要讀寫快的,就不容易穩定儲存;要穩定儲存的,讀寫速度就慢。這不僅是在過去半導體遭遇的困境,以後在新興記憶體、甚至量子位元我們還會再遭遇類似的問題。譬如超導體量子位元計算快,但量子位元退相干(decoherence)也快,容易產生錯誤。氮缺陷奈米鑽石 (nitrogen vacancy nano diamond)量子位元很穩定,甚至在室溫下也可以維持好一陣子,但讀寫卻是千難萬難。

目前半導體對於記憶體體制的處理方式是用不同材料、不同運作機制,提供不同特性的記憶體/儲存器,層層部署。最理想的狀況是在記憶體/儲存器中直接運算—兩者合而為一,就沒有傳送、讀寫等功耗和速度等的損失問題,這就是現在已經開始進入議題的in-memory computing,今年的IEDM會議就有以PCM做in-memory computing展示的論文。但是能做這樣工作的記憶體/儲存器要具備三個特性,一是轉換(switch)要快。再者,密度要高,因為現在CPU的gate count很多。最後,要能永久儲存。但是目前同時具有這三個性質的記憶體/儲存器還不存在,所以這是長遠目標。

近期比較可能達到的是過去已開始談論的儲存級記憶體(Storage Class Memory;SCM),或者意涵稍有差異、現在另外叫Permanent Memory (PM)。要之,兩者都是整合了記憶體和儲存器的功能的單一器件,至少縮短了資料傳遞的流程。現在跨出第一步的是PCM陣營,基本上PCM由於多層堆疊,密度可以加高,讀寫速度雖遠較NAND為髙,但仍不如DRAM,所以還是需要以微控制器來調節,結構好像與現在的NAND SSD沒太大差別。但是由於終端儲存器與CPU運算的差距大幅縮小,量變有可能導致質變。譬如可匹配的平行處理核就可以大幅增加。

另一個可以與之競爭的對手是MRAM。目前沒有大廠生產製造,價格居髙不下。但是技術的進展已到寫入時間10ns,訪問時閒20ns,略優於DRAM。而其耐久性近乎無窮大,只是單元細胞的尺寸(cell size)還降不下來。但是MRAM是可以如NAND般往3D發展的,而PCM的堆疊到8層已達最大經濟效益,功耗比較大,耐久性也頗有不如。兩者的競爭,將是記憶體/儲存器演化的重要觀察指標。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。