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矽晶・電子:3C電子產品不可缺的靈魂技術–浮閘記憶體

107/01/05 瀏覽次數 2826

半個世紀前的一個簡單概念—浮閘記憶體效應,至今已引領出無數的創新應用,落實於生活中的每一部分,並成為電子產品不斷推陳出新的主要驅動力,繼續增進和改善全人類的生活品質。

 

想像生活中若沒有3C(3C是對電腦(computer)及其周邊、通訊(communication,多半是手機)和消費電子(consumer electronics)3種產品的代稱)電子產品(智慧型手機、智慧型手錶、平板電腦、數位相機、電玩遊戲機等),我們的工作和休閒行為會如何改變呢?想像3C電子產品的儲存功能倘若一旦失去電力時,所有的資料(包括照片、筆記、遊戲紀錄等)就全部不見的情況?答案應該會很明顯:無法想像!因為我們早已經習慣並且相當依賴現今存在於生活中的電子產品使用模式。

 

旅遊時,看到優美景色和特殊當地文化時,就不禁地拿起手機或相機拍照,並且即時上傳與親友分享;享受美食時,看到色香味俱全的擺盤時,也會請相機「先享用」;等待交通工具時,習慣玩手機遊戲打發時間,商務人士瀏覽網路上相關產業趨勢發展並記錄筆記;許多人也以手機當鬧鐘和提醒事項,儘管在關機狀態下,到了預定時間還是會很盡責、很準時地提醒。

 

因此,放眼望去的3C電子產品海,從數位行動電話、平板電腦,乃至物聯網(internet of things, IoT)裝置、人工智慧(artificial intelligence, AI)等,都與我們的生活息息相關,並且離不開非揮發性記憶體(non-volatile memory, NVM)如此重要的儲存裝置。非揮發性記憶體就是在資料儲存之後,當無電力供應時,資料仍可穩定長期地保留著。

 

而非揮發性記憶體的核心技術鼻祖是浮閘非揮發性記憶體(floating-gate NVM),或簡稱為浮閘記憶體(floating-gate memory, FGM)。適逢浮閘記憶體發明50周年(1967∼2017年),本文介紹浮閘記憶體的起源和相關的廣泛應用,讓大眾了解這項驅動近半世紀電子產業和產品急速發展的關鍵技術,以及它對人類生活的重要性。

 

浮閘記憶體效應怎麼想到的

 

浮閘記憶體效應是在50年前(1967年)的春天,由施敏(Simon M. Sze)博士和姜大元(Dawon Kahng)博士在貝爾實驗室所發現。主要是因為當時的電腦主機和通訊設備中採用磁圈記憶體,但這裝置體積大、耗電量高、資料存取時間較長,以及無法用半導體製程技術來生產。因此,他們希望能夠研發出可用半導體技術生產的小體積非揮發性記憶體來取代磁圈記憶體。

 

於是,有一天午餐時刻,姜大元提出金氧半(金屬氧化物半導體,metal oxide semiconductor, MOS)電容器與非線性電阻串聯的電路組合,但如果要長期儲存資料,其電阻的非線性度需要非常大。其後,施敏提出金氧半電容器串聯蕭特基二極體的組合電路,不過需使用非常高的電壓(接近崩潰電壓)才得以長期儲存資料。經過彼此不斷地腦力激盪,最後想到以金屬層鑲嵌於頂部金屬閘極與傳統金氧半場效電晶體(MOS field effect transistor, MOSFET)通道氧化層之間。

 

這閘極堆疊是5層結構,依序是金屬控制閘、上絕緣氧化層、嵌入金屬層(即浮閘)、下絕緣氧化層和半導體基板。浮閘周圍都是絕緣氧化層,因此可以減少漏電路徑,而使儲存的電子可以長期保留在浮閘中。且由於浮閘金屬不接觸任何電源,是浮動電位狀態,因此稱為「浮閘」。下絕緣氧化層較薄,可使電子在適當的電場控制下,進行穿隧而寫入浮閘或離開浮閘。上絕緣氧化層較厚,可避免電子由這部分穿隧。

 

第一批製作出來的浮閘記憶體元件,其資料儲存時間可超過1小時,這成果於同年6月5日申請專利和7月1日發表於貝爾實驗室的內部期刊《貝爾系統技術期刊》(Bell System Technical Journal)。浮閘記憶體元件的基本操作包括寫入、儲存和抹除。當施以一適當正電壓於控制閘時,可使基板的電子藉由穿隧下絕緣氧化層進入浮閘中(寫入模式)。當移除控制閘電壓時,電子就可長時間儲存在浮閘內(儲存模式)。當元件位於儲存模式,施以一適當負電壓於控制閘時,可把電子從浮閘內移除傳送回基板中,這就是抹除模式。

 

無限的應用

 

原本以為浮閘記憶體僅用來取代磁圈記憶體,但這記憶體架構後續的應用卻遠超過任何人原有的想像。1984年任天堂率先採用浮閘記憶體於電玩遊戲機上,除了可更容易操作外,並可記錄遊戲積分、關卡等,以及闖關失敗後可以從特定階段快速地重新開始。1984年,浮閘記憶體開始用在個人電腦的基本輸入輸出系統,以加速電腦的開機啟動。

 

此後,浮閘記憶體陸續開啟了幾乎所有現代電子產品的創新和蓬勃發展,例如1990年–數位行動電話(智慧型手機iPhone於2007年推出);1991年–固態硬碟;1995年–平板電腦、個人數位助理;1997年–DVD播放機;1998年–MP3音樂隨身聽(2004年推出iPod)、全球定位系統(global positioning system, GPS);1999年–數位相機、投影電視;2000年–USB快閃隨身碟;2003年–數位電視;2004年–電子書;2005年–智慧型電網;2006年–雲端運算;2010年–3D印表機;2011年–超輕薄筆記型電腦、大數據;2013年–智慧型手錶、物聯網;2016年–虛擬實境(virtual reality, VR)。浮閘記憶體有許多特點,包括非揮發性、資料可重複寫入∕抹除、高密度、高容量、低耗電、體積小、不怕震動等,對於可攜式電子產品的應用非常重要。

 

自1990年起,大部分的電子產品開始使用浮閘記憶體長期儲存資料。唯在個人電腦方面,大部分仍採用磁性硬碟來長期儲存資料,而非使用固態硬碟,主因在於磁性硬碟成本較低。當快閃記憶體的技術不斷地提升,製作成本就可大幅下降,從1987年USD 600,000∕GB到2016年的USD 0.2∕GB,預計到2025年可降低至USD 0.02∕GB。儘管磁性硬碟還是稍微便宜,但固態硬碟對於超輕薄筆記型電腦、大數據、雲端運算等應用,具有相當大的吸引力。例如一般超輕薄筆記型電腦擁有13英寸螢幕、512 GB固態硬碟,但僅1公斤重和僅約1公分厚。如此薄如刀鋒、輕如羽毛的外觀,搭配僅需2秒的開機時間,大大地提升了便利性和市占率,使原本式微的傳統筆記型電腦產業重獲新生。

 

IC Insights曾分析前十大終端電子系統市場的產值,值得注意的是這十大電子產品都是浮閘記憶體的應用。自從2013年,行動電話在智慧型手機的帶動下超越個人電腦(包括桌上型與筆記型電腦),成為全球最大終端電子系統產業;而物聯網於2014年產值達到483億美元,並隨著各家大廠積極的研發下,預估未來物聯網的年複合平均成長率會很高,於2013∼2018年複合成長率將超過20%。

 

此外,當今全世界最火熱的顯學「人工智慧AI」,其主要概念是:大數據和深度學習。大數據是AI的硬體核心,也就是AI的記憶體和大腦神經;深度學習則是AI的軟體核心。生活中無時無刻所產生的大數據,都需經過儲存、分析和分門別類地整理歸檔,以即時提供資料供各式各樣AI深度學習和使用。

 

AI倘若沒有記憶體,就如同人沒有腦神經和記憶,機器就無法進行深度學習。並且在如此龐大的資料運算過程中,資料的保存非常重要,當無預警失去電力時,這些數據仍要安全地保存著並保持在斷電前的模式,避免整體資訊的遺失或混亂。因此在未來數年內,浮閘記憶體效應仍會持續地在各個領域中發展,並在人類生活中占有不可或缺的角色。

 

歸功於50年前的浮閘記憶體如此重要的發明,從電荷儲存概念演變為數位電子時代的主要科技推動力,啟發了無數的創意,促成了電子產品不斷地推陳出新,大幅提升現代社會生活的便利性。迄今使用浮閘記憶體效應的電子產品已超過600億台,預計在未來10年內更將超過2,000億台,使這記憶體成為現代社會不可或缺的電子元件,並帶給人類史無前例的福祉。

 

此外,浮閘記憶體發明者之一的施敏教授是我國中央研究院院士及美國國家工程院院士,他所著的《半導體元件物理》(Physics of Semiconductor Devices)是目前全世界所有工程及應用科學領域最暢銷的書之一(1969年推出第一版,1981年第二版和2007年第三版),曾翻譯成多種語言,引用次數迄今四萬七千多次,有半導體界的聖經之稱。因此,他對於半導體學術和產業的發展以及人類生活的改善,有無法言喻的偉大貢獻。

 

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