科技快速發展，消費者對智慧手機、平板電腦、穿戴式裝置…等各種行動設備的效能要求越來越高，因應市場需求，在此類設備中扮演關鍵角色的記憶體也需快速進化，清華大學電子工程研究所林崇榮教授所研發的「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」（High Density 3D Via Resistive Random Access Memory ,RRAM ），透過領先業界的陣列特殊陣列方式，可大幅提升記憶體的儲存容量、資料讀取速度，近期更與台積電攜手開發，讓此技術能盡快落地使用，為我國的半導體注入強大成長動能。

對於「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」，林崇榮先從記憶體開始談起。他點出科技產品已成為現代生活的一部分，大家也都知道記憶體」與手機、電腦的效能息息相關，但多數人並不理解此元件的作用。如果將電子設備的內部視為一座工廠，處理器是負責製造的產線，硬碟則是儲存資料的物流中心，然而物流中心與產線的距離較遠，資料來回的時間太久，最好的方法就是將常用的資料、程式先放在工廠旁邊的小倉庫中以求方便取用，這個倉庫就是記憶體。

目前市場的主流記憶體是 NAND Flash，也就是大家常聽到的快閃記憶體，不過林崇榮指出，近幾年電子設備效能越來越高，快閃記憶體的體積和資料讀寫速度逐漸無法跟上，「這個問題在 AI 普及後將更嚴重，因此新世代記憶體開始廣為業界重視，電阻式記憶體就是其一。」

電阻式記憶體的優勢是可以用奈米級的速度轉換電阻，而且可以用極低電流操作，無論是讀寫速度或耗電量都比快閃記憶體更具優勢。

無論是電阻式和其他類型記憶體，其記憶單元陣列都是單層，由於現在行動裝置的內部空間有限，儲存容量難以擴張，因此三維成為最佳解方。不過要在層層堆疊的三維記憶單元陣列(Three Dimensional Memory Cell Array) 中讀取資料，讀取速度又會降低，導致電阻式記憶體難以兼顧快速讀寫與大量儲存優勢。「我們團隊研發的『高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體』技術，就是此問題的最佳解方。」

林崇榮接著以建築物概念解釋「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」的架構與運作原理。他表示現在記憶體的記憶單元陣列是二維，也就是一層樓平房，近年來電子設備的資料量漸大，而且體積快速縮小，此問題的解決之道就是往上蓋成高樓，在上面堆疊更多記憶體，形成高密度架構，讓有限的平面面積使用效率最大化，「不過住過高樓的人都知道，上下樓層時往往要花大量時間搭乘電梯，記憶體讀取也是一樣，三維陣列會拖慢資料的讀取速度。」

對此林崇榮研發出蝕刻孔技術 (Dual Damascene Cu Via Technology)，「這項技術就像在不同棟的高樓層中架設橫向連通道，系統不再只能垂直讀取，可透過橫向通道快速抓到所需資料，不僅讀取速度更快，耗電也更低。」根據實測結果，與 NAND Flash 相較，「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」的讀取速度至少快了 20 倍，使用的電力也在 1/10 以下。

「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」具備極大優勢，研發過程中林崇榮團隊也吃盡苦頭，他點出這項技術的最大挑戰在於記憶單元橫向連接的精準度。「現在的記憶單元都是奈米等級，因此連接的銅線直徑也必須同樣規格，要在又高又小的陣列中精準連接記憶單元，難度可想而知。」在多年的努力下，林崇榮團隊不僅順利克服挑戰，還主動給自己出了另一個難題，與台積電攜手在 16 奈米 FinFET 的製程平台上進行開發。

林崇榮指出，現在的記憶體與處理器仍屬於兩種不同元件，系統運作時，處理器必須持續從記憶體讀取資料，為了提升效率，市場出現記憶體運算（Computing-in-Memory, CIM）概念，讓同一元件兼具運算與儲存功能，減少兩者之間資料的傳輸、移動時間，「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」則是在同一製程中，將兩者整合為同一元件，達到CIM目標。

打造 CIM 需要極高的半導體製造技術，台積電對半導體製程技術的掌握能力居全球之冠，而且與清大合作多年，雙方的默契與互信度非常高，因此成果也一如預期浮現。林崇榮透露，16奈米製程開發工作已完成，目前正在成果分析階段，「下一個階段的目標是挑戰 7 奈米 FinFET 製程技術，將記憶體密度衝到 1.6Gb/mm2，5 奈米製程也正在洽談中，如果研發成功，記憶體密度有機會一舉提升到 3 Gb/mm2。」

林崇榮指出臺灣的半導體的製程技術位居全球產業領先地位，「高密度三維蝕刻孔電阻式記憶體」計畫則善用此一優勢，「現在市場競爭越來越激烈，透過這次產學兩端研發能量的整合，我們希望讓國內半導體的技術布局更全面，並創造出屬於臺灣的產業獨特價值。」