手機功能多元化驅動快閃記憶體需求成長

2004-01-02
隨著通訊技術的進步,手機功能及附加服務多元化(音樂傳送、線上交友、連線遊戲、收發語音郵件等)的結果,導致對記憶體性能的要求日益嚴苛,其中更以照相手機在未來的需求前景看好,同時亦造成手機用記憶體相對地水漲船高。
隨著通訊技術的進步,手機功能及附加服務多元化(音樂傳送、線上交友、連線遊戲、收發語音郵件等)的結果,導致對記憶體性能的要求日益嚴苛,其中更以照相手機在未來的需求前景看好,同時亦造成手機用記憶體相對地水漲船高。而在所有記憶體種類當中,快閃記憶體(Flash memory)以其較優越的工作特性、體積與耗電量,更有可能在這一波手機的應用需求市場中創造另一波高峰。  

以未來手機的應用發展來看,手機對記憶體的要求將更為提高,目前針對手機對記憶體的要求主要可分為2大項目:  

記憶體容量增加但體積要小  

由原來的單色到彩色液晶螢幕,由只能互相通話到具有MMS功能,甚至像PDA phone或SmartPhone產品的推出,手機所具備的功能日漸發達,例如可聽MP3規格的音樂、可程式化且多和絃的來電鈴聲、遊戲種類增多、語音辯識等。於是控制其運作的程式碼便越趨複雜,因此對記憶體容量的需求也隨之增加。另外,照相手機的興起是記憶體容量需求大幅上升的主要原因。Samsung 預期在今年年底新推出的手機中將有80%具有照相的功能。圖1為MIC針對照相手機市場趨勢所做的預測,2002年到2003年總銷售量的年平均成長率為 169%,2003年後每年亦有將近16%~44%平均成長率。  

記憶體速度加快但要省電  

手機系統業者所提出的加值服務,包括音樂傳送、線上交友、連線遊戲、收發語音郵件等,都增加了數位訊號處理器(Digital Signal Processor, DSP)及微控制器(Micro Control Unit, MCU)的工作負擔,也促使這2種元件的運算速度必須越來越快,因為許多加值服務都要求即時性及連續性。因此必須加快記憶體的速度使之能與上述2種元件匹配,才不致造成運作時的延遲(latency)。  

手機常用記憶體的特性差異  

不同種類的記憶體其特性亦有所差別,以下針對手機常用之記憶體進行簡介:  

EPROM及EEPROM  

EPROM(可抹寫程式化唯讀記憶體)為早期用來儲存手機運作所需之微程式控制韌體碼的記憶體,可以寫入多次資料,特點是在晶片包裝上有一扇透明的窗戶,需要清除資料時便以紫外光照射由此窗戶所露出之記憶體晶片即可。平時這個窗戶是用不透光的標籤將其遮蓋。需要寫入資料的時候,必須先把已經存在的東西全部清除掉才行。  

EEPROM(電子抹寫、可程式化唯讀記憶體)也是一種可以寫入多次資料的唯讀記憶體,和EPROM最大的不同是,它清除資料時不必用紫外光照射裏面的晶片,只要通電就可以清除原本記憶體所含的資料。因為如此,所以使用起來要比EPROM方便得多。  

SRAM及DRAM  

SRAM是所有半導體記憶體中存取速度較快的一種,其記憶細胞元(memory cell)由6個正反器(Flip flop,儲存資料的最小單元,1個正反器可以儲存1個位元的資料組成)組成。SRAM在手機中的角色是作為基頻DSP和MCU的資料暫存器。但由於記憶細胞元較大,元件集積度低,記憶容量發展受限。DRAM的記憶細胞元則由一個MOSFET和一個電容組成,故其集積度較SRAM高,容量亦較大。但電容具有放電特性,存在電容的電荷會逐漸消失,故SRAM及DRAM需要額外的電能來做週期性刷新(refresh)動作,即電能消失後,所儲存的資料亦隨之清除。表1為SRAM及DRAM的特性比較。  

NOR型及NAND型快閃記憶體  

快閃記憶體(Flash memory, Flash)主要分為NOR型及NAND型兩種。NOR型為Intel所發展出之架構,而NAND型的主要技術領先者為Toshiba。兩者因為記憶細胞元的設計不同,使得NOR型的讀取速度較快,適合做為程式的儲存;而NAND型的記憶細胞元較小,可發展成容量較大的記憶體,較適合用於大量資料的儲存。表2為2種Flash的特性比較。  

Pseudo SRAM  

pseudo SRAM(虛擬靜態隨機存取記憶體)其實是一種以DRAM為核心,外接電路則使用SRAM介面的記憶體。因為其核心只有DRAM所包含的一個 MOSFET,故又稱為1T SRAM。pseudo SRAM可以使用DRAM製程進行生產,於是在製程與設計轉換門檻不高,而且又可以大幅增加存取速度及縮小尺寸的情況下(存取速度約為55~100ns、工作電壓大約1.65~3.60Volts),DRAM的製造廠商開始將部分產能規劃進行pseudo SRAM的生產,例如華邦及茂德;而聯電則在今年初與韓國設計公司Silicon7成為夥伴策略聯盟,將在資金、製造及技術上全力支援Silicon7成為手機市場的pseudo SRAM及低電量DRAM產品之主要提供廠商。  

手機中Flash應用比重增加  

由於Flash比ROM的耗能低、存取速度快、體積小種種優點,使得Flash將取代ROM成為手機的重要元件。圖2為Semico Research在2002年就手機市場對Flash需求量所做的統計及預測,需求成長顯而易見。在操作電壓方面,則由標準的3.3V或2.7V朝向 1.2V邁進,0.9V的產品亦在開發中。  

‧內建:  

NOR型Flash是用來儲存手機核心程式碼等相關資料;NAND型Flash則用來儲存應用程式或使用者之影音資訊。NOR型容量大小將由目前主流的32Mb及64Mb朝向128Mb發展;而NAND型則由128Mb或256Mb朝向512Mb邁進。  

‧外掛:  

由於SmartPhone及3G服務的興起,手機的應用程式及處理的影音資料容量越來越大,除了內建的NAND型Flash外,附有Flash小型記憶卡插槽的手機亦為發展趨勢之一。除了可儲存更多的資料外,亦可單獨拆下如同隨身碟般與電腦連結,更增加了資料運用的機動性。  

Flash將與其它記憶體整合  

堆疊式多晶片封裝技術(Stacked Multi Chip Package, ST–MCP)將多種不同的記憶體封裝在同一個晶片中,以達到縮小體積的目的。當然,隨著各不同的記憶體製造技術的進步,MCP可說是目前最有可能達成手機記憶體輕薄短小且省電的整合技術。圖5為Toshiba公佈針對手機用記憶體利用ST–MCP技術之未來發展趨勢圖。圖6為ST–MCP示意圖。  

目前僅高階手機,如SmartPhone中搭配有ST–MCP記憶體晶片,整合之記憶體種類以NOR型Flash及SRAM為主,容量為4Mb或8Mb之 SRAM搭配32Mb或64Mb之NOR型Flash為大宗。圖7為Toshiba針對ST–MCP記憶體晶片之發展時程。由圖中可看出2003年將針對以0.16μm製程的32Mb/64Mb/ 128Mb NOR型及以0.13μm製程的64Mb/128Mb/ 256Mb的NAND型Flash為主要整合目標。針對整合的記憶體晶片數也將朝3~5片邁進。  

Flash將朝區隔、省電、小體積趨勢發展  

由於Flash市場與手機的發展相關性極高,NOR型或NAND型在行動通訊領域的應用未來將有明顯區隔;同時,Flash在耗能及體積上必須朝更小化發展。  

針對ST–MCP技術,Flash必須提高與SRAM之相容性,所以存取速度也必須再提升。目前以整合SRAM及NOR型Flash兩種記憶晶片為主,將朝3~5片晶片發展。大容量之ST–MCP記憶體初期將以高階手機為主要市場。另外,目前提高Flash容量之技術尚有Multi level per cell及Multi bit per cell兩種,但因製程技術較困難,成本較高,應用時程將向後修正。  

(本文作者為拓撲產研分析師)  

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