智慧穿戴裝置的內嵌式記憶體解決方案

旺宏電子(Macronix)產品行銷處副處長黃盛絨(Donald Huang)博士。

穿戴式裝置的硬體系統，大多採用低功耗的系統元件來設計，因此不僅是核心元件、儲存元件、連接元件等等，都必須要在功耗設計上做最佳化，以達成系統功能設計目標。

而在記憶體方面，尤其是非揮發性的記憶體，其用途主要是記錄韌體程式碼與各種感測資料之用，如何選擇適當的快閃記憶體(Flash Memory)與低耗能的處理器或微控制器作搭配，則是系統業者必須重視的課題，接下來聽聽記憶體專家的看法…

記憶體發展多年  不可或缺的元件

旺宏電子(Macronix)產品行銷處副處長黃盛絨 (Donald Huang)博士，就「Embedded Flash Memory Solutions for Smart Wearables(智慧穿戴裝置的內嵌式記憶體解決方案)」的議題做演說，他首先介紹旺宏電子為NVM (Non-Volatile Memory；非揮發性記憶體)大廠，於1989年成立於新竹科學園區。

擁有自家的技術，公司員工近兩成為研發相關人員，至今累積了逾5,400項專利，並擁有3座晶圓廠，包含6吋廠(代工為主)、8吋廠(3C、車用與工控客戶為主)、12吋廠(更高容量？效能產品為主)，2013年營收達到7.4億美元。

黃盛絨表示，在穿戴式裝置市場起飛之際，旺宏以記憶體元件廠商的角度，來看待智慧穿戴的產品，在現在和未來，需要什麼樣的記憶體解決方案。以目前旺宏的產品線來說，主要為非揮發性記憶體，包括ROM、NOR Flash、NAND Flash。其中，NOR Flash在3C產業應用已經非常普及，如今在第4C(Car，車用電子)的應用也越來越多，並陸續出貨中。而NAND Flash則是以SLC(Single Level Cell；單層式儲存)為主，適合需要高品質、高信賴與較高容量儲存的應用領域。

從記憶體出發  瞄準穿戴式市場

黃盛絨綜合各家的研究報告，說明在電腦發展史中，每次電腦世代的大變革，出貨量就呈現10倍速成長。若以1960年的Mainframe(大型主機)時代，出貨量為1的話，大約1980年開始的Minicomputer(迷你電腦)，出貨就達10倍。

隨著科技的進步，到1990年的PC(個人電腦)時代，出貨量就達到100。而2000年開始的網際網路世代，手機＋電腦的出貨量已經達1,000倍。如今2010？2020年，消費性電子的整體市場(包含手機、平板、車用電子、遊戲機、家庭娛樂裝置、無線家電、電子書、穿戴式裝置等等)，整體的出貨量將達到10,000倍。由此可看出記憶體的成長歷史與機會，且未來3？5年將可瞄準智慧穿戴市場。

在消費性電子發展史中，從早期「類比」時代(例如傳統收音機？卡帶)，演進到「數位」時代(數位電視？光碟)，到今日的「網路」時代(連結？下載)，各種電子裝置可說是百花齊放。如今許多消費性電子產品都具備聯網功能，尤其穿戴式裝置更是以連結功能為優先，像是智慧手錶、手環可以透過藍牙、Zigbee或NFC等方式，與智慧手機做連結。資料量大的透過Wi-Fi來連結，最後再將資料傳輸到PC或雲端伺服器來做數據統計與分析。

因應低功耗應用的穿戴式裝置，內建低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy；BLE)將逐漸普及，市場預估穿戴式裝置加上BLE的整體出貨量在2018年可望超過4億。

適合穿戴式裝置的下世代快閃記憶體

以穿戴式裝置的內部構造來看，適合穿戴式裝置的下世代快閃記憶體，可以由電池、MCU、Flash等三個部件來看。例如電池的種類、MCU與Flash的界面(Interface)、以及Flash的特性。不同的穿戴式產品所使用的Flash記憶體種類也有所不同。以現有的智慧手環、手錶、眼鏡產品為例，其Flash記憶體元件分別有3V NOR、MCP/NAND、NAND。由此可知現有的Flash Solution可滿足現在的穿戴式裝置。

然而因應新一代穿戴式裝置的需求，下世代記憶體也將會朝這些方向發展：1. 介面採標準化，容易導入為優先；2. 外型規格越小越輕薄；3. 供電設計則以低電壓與低耗能為主；4. 成本則是越低越好。

在介面部份，NOR Flash在2000年起採用「並列」 (含Parallel Page Mode以及Parallel AD-Mux兩類)為主，由於針腳數過多(48、56pin)，佔用PCB空間也大，因此自2010年開始，「串列」的SPI-NOR開始流行，使用更少的針腳數(8 或16 pin)，接線更單純且佔用PCB空間也小，可以幫助降低整體成本，因此串列已經慢慢取代並列的設計，成為當今NOR Flash的主流。

尺寸規格上，有4x3mm、2x3mm，高度僅0.6mm的產品封裝，也有WLCSP (晶圓級裸晶尺寸封裝)的更小產品，現今已有晶片長寬僅1.46x1.4mm WLCSP，而高度方面已可以做到0.4mm以下。

電壓設計上，目前以3V、1.8V為市場最大宗，而穿戴式應用有可能應用到跨3V與1.8V 的電壓範圍。在電流設計部份，把運作電流降低到50%以下，待機電流部份，則是進入深睡模式時，耗電量從低於50%降到10%或更低，使電池壽命能夠提升到1.5倍。

旺宏的NOR Flash產品解決方案，包含3V 512Kb？1Gb、2.5V 512Kb？8Mb、1.8V 512Kb？512Mb SPI-NOR以及 MCP產品，等各種電壓與容量搭配的產品組合，能符合且已經廣泛應用於穿戴式產品。

因應穿戴式裝置的下世代快閃記憶體，旺宏開發MX25R串列NOR Flash家族，採用標準Serial NOR快閃記憶體介面(8-pin針腳，具備針腳相容能力)、提供超小體積如USON、WLCSP的封裝產品，亦可提供良裸晶KGD與主晶片搭配，Vcc寬電壓設計(1.7V？3.6V) ，比傳統減少60%以上的超低功耗，可以依照穿戴式產品不同需求來做選擇。

旺宏的NVM製程技術藍圖部份，目前NOR Flash、SLC NAND Flash、3D NAND Flash、XtraROM大多採32？75nm製程，2015年後將提升至2x？42nm，將再進一步縮小晶片面積。

最後，旺宏在新世代記憶體技術的研發上也不遺餘力，像是：1. VG(vertical gate；垂直閘極) 的3D NAND，採自家專利的BE-SONOS技術，突破製程極限，目前已展現出512Mb MLC(Multi-Level Cell)的測試產品；2. ReRAM (磁變電阻式記憶體)技術，具高速、低耗電、簡單儲存單元架構、未來更可應用於穿戴式應用產品；3. PCM(相變記憶體)：提供最小儲存單位，具有低延遲、高耐用、可MLC設計等特性。可提供穿戴式應用多樣選擇。