近年來手機在MP3、相機手機、影像播放、衛星定位系統、行動電視、隨身碟與個人數位助理等新功能的陸續不斷加值，手機內部元件與電源的使用已遠遠超過傳統手機單純語音通訊處理方面的需求，如何同時兼顧功耗、容量及尺寸，成為手機廠商關注的重要議題，而扮演其中的關鍵因素之一即為占有手機整體功耗20%的手機儲存元件。
近年來手機在MP3、相機手機、影像播放、衛星定位系統、行動電視、隨身碟與個人數位助理等新功能的陸續不斷加值，手機內部元件與電源的使用已遠遠超過傳統手機單純語音通訊處理方面的需求，如何同時兼顧功耗、容量及尺寸，成為手機廠商關注的重要議題，而扮演其中的關鍵因素之一即為占有手機整體功耗20%的手機儲存元件。
手機在提供新功能的過程中，平台體系結構設計師必須確定適當的記憶體類型，才能在效能、儲存需求與成本間取得平衡，記憶體容量太小會削弱效能與限制功能，而儲存容量太大則會提高產品製造成本，因此如何設計下一代手機儲存媒體成為刻不容緩的議題。基於此，本文將依內嵌式記憶體元件包含RAM、NOR Flash與NAND Flash，以及外插式儲存元件快閃記憶卡兩方面，探討在3G手機未來記憶體元件發展趨勢。
手機功能日趨多元化(圖1)，資料型態亦隨之複雜化，即使如此現階段手機內嵌式記憶體元件仍不脫微控制器(MCU)與數位訊號處理器(DSP)執行運算時用於代碼執行的隨機存取記憶體(Random Access Memory, RAM)、用於儲存手機軟體系統代碼的NOR Flash，及提供手機延伸數據儲存的NAND Flash三大核心手機記憶體元件(表1)。隨著手機對功耗、成本、效能、大小與容量等要求的提高，記憶體廠商莫不積極提升記憶體容量、整合NOR與NAND Flash及MCP，或開發新規格(CelluarRAM)，以滿足3G手機對記憶體元件之嚴苛要求(圖2)。
SRAM可分為低功耗(Low Power, LP)與高速度(High Speed, HS)兩種類型，由於LP SRAM採用6個電晶體的架構，在電晶體密度偏低的架構下，面對多媒體手機對高記憶體容量需求時，會產生晶片的體積增加的缺陷，因此LP SRAM未來將無法滿足多媒體手機對記憶體儲存元件上嚴苛的條件；至於採用同步架構設計的高功耗(High Power, HP)SRAM，則可藉由雙倍資料傳輸率(DDR)與4倍資料傳輸率(QDR)傳輸技術，使HP SRAM存取速度提升至40/55奈秒(LP SRAM存取速度約為70奈秒)，加上HP SRAM記憶體單位是由4個電晶體和2個電阻所組成，因此在集積度方面高於LP SRAM，在面對多媒體手機高記憶體容量需求時，較不會產生晶片的體積增加的缺陷，因而HP SRAM較符合高階手機對高記憶容量的要求。
至於在DRAM結構上加裝電源管理設計功能的另一記憶體元件SDRAM，雖然具備高集成度特性而在晶片體積的控制上較SRAM具彈性，不過卻面臨耗電量相對提高問題而無法滿足手機所訴求之低耗電量要求，即使近期在DRAM晶片廠商的努力下達到32Mbit的SDRAM耗電量可降至1.8伏特(幾乎與LP SRAM一樣)，不過最終在讀取速度方面仍無法優於SRAM，因此(LP)SDRAM在未來3G手機市場已提早出局。
不過由於SRAM終究存在儲存密度小、成本高、體積大等既有的缺陷，未來勢必無法滿足3G手機對儲存子系統的要求，近來部分手機廠商已採用PSRAM取代SRAM與(LP)SDRAM作為手機MCU及DSP執行運算時數據資料之暫存記憶體元件。
PSRAM(Pseudo SRAM)主要在採用1個電晶體和1個電容的DRAM記憶單位的資料儲存架構下，結合SRAM的I/O與控制介面的手機記憶體元件，由於PSRAM採用一個電晶體與一個電阻的結構，集積度方面優於LP SRAM，因此記憶體容量增加空間相對較大，同時成本效益高於SRAM且晶片價格遠低於SRAM，目前PSRAM主要應用於中高階的手機，現階段主要容量有16Mbit、32Mbit與64Mbit，最大可達128M～256Mbit，未來將取代SRAM成為3G手機主要記憶體元件之一。
由於PSRAM可以滿足未來3G手機高密度、高儲存速度、低成本與低功耗的要求，全球主要記憶體廠商包括三星(Samsung)、東芝(Toshiba)、美光(Micron)、英飛凌(Infineon)與瑞薩(Renesas)各自組成聯盟發展PSRAM規格，至目前為止全球PSRAM衍生出CellularRAM、COMORAM與UtRAM三大規格，其各自產品已分別為手機廠商採用(表2)。
CellularRAM屬於單電晶體類靜態隨機存取記憶體(1T Pseudo SRAM)，與傳統的6電晶體靜態隨機存取記憶體(6T SRAM)不同處，在於PSRAM可以使用現有的DRAM製程生產，但卻保有與傳統SRAM相同的規格，手機廠商可以直接使用，毋須再重新設計新的內建晶片插槽，此外，PSRAM擁有高達140MHz傳輸速率，以及208Mbit/s的高傳輸頻寬，這都是傳統SRAM難以做到，目前CellularRAM已經為諾基亞(Nokia)、摩托羅拉(Motorola)、明基西門子(BenQ-Siemens)與索尼愛立信(SonyEricsson)等手機廠商採用。
COMORAM(Common Specifications for Mobile RAM)是由東芝、恩益禧(NEC)與富士通自1998年以來多階段合作所推出的產品，其中COMORAM於接腳分配等方面與CellularRAM不相容，目前128Mbit的產品已經問世，東芝已投入256Mbit的COMORAM，目前已經為恩益禧、富士通、東芝與松下(Panasonic)等手機廠商採用。UtRAM則為三星所開發的儲存元件，UtRAM為單一電晶體與電容所組成的低耗能儲存元件，工作頻率為133MHz，UtRAM能與SRAM相容，因此在不改變新一代手機的任何線路情況下，廣泛應用於手機，並已經被三星與樂金採用。根據目前被手機廠商採用的情況分析，由於CellularRAM被全球前五大手機廠商(依序為諾基亞、摩托羅拉、三星、樂金與索尼愛立信)中的諾基亞、摩托羅拉與索尼愛立信採用，因此在三強競爭方面取得優勢，其次則為由三星所推出的UtRAM，至於COMORAM則處於相對不利的地位。
NOR Flash是由英特爾(Intel)開發出來的非揮發快閃記憶體，支援對細粒度資料的快速隨機存取，可用來代替額外的RAM，得以在同時保持適當的效能水準下，大幅降低代碼執行和多種資料儲存類型的功率要求；由於NOR Flash支持同時讀寫(Read-while-write, RWW)能力，因此支援對不同記憶體磁區的同時讀寫，並可透過處理器的時脈速度來輸送資料，改善處理器使用的效能，且在讀取速度方面遠比NAND Flash快，因此適合做為儲存手機開機時必須用到的程式碼。雖然NOR Flash兆位元容量的單位成本比NAND更貴，甚至每位元價格比LP SDRAM高，不過仍比SRAM與PSRAM更低，至於單位成本過高的問題，近來MLC NOR Flash的推出，其每單元能儲存兩個資料位元，因此在每兆位元總成本已顯著降低，所以在密度與成本正在追上手機記憶體功能價格比方面的要求，加上NOR Flash非揮發性記憶體的特性得以在不需要NOR Flash速度的時候不需用於板上資料儲存的優勢，因此在3G手機的時代，NOR Flash仍扮演手機主要記憶體元件要角之一(表3)。
至於由東芝開發出來的另一種非揮發性記憶體NAND Flash，由於讀取資料的方式採取序列式(Sequential)非隨機式(Random)，且儲存資料所須使用的Cell Size小，在初始資料的讀取方面較NOR Flash慢，儘管NAND Flash資料存取過程中所存在的初始延遲問題，會導致引導時間和啟動時間較慢的問題出現，但可藉由把代碼存在NAND中，下載到更快的RAM中來執行，然額外增加的RAM會導致手機成本與功耗增加；雖然NAND Flash用於密度較高的元件中，每兆位元價格或許低於NOR Flash，但在許多板上功能上所需的密度要求方面，單位成本可能會較高，此外NAND Flash在區塊管理、非線性位址映射圖與除錯的軟體較複雜，而錯誤碼與壞儲存塊區塊在NAND Flash極為常見，因此往往需要額外的除錯軟體來解決錯誤問題，亦會增加手機成本，由於上述成本增加的議問題無法滿足3G手機在成本方面的要求，未來低容量的NAND Flash可作為手機的資料儲存元件外，應朝向大容量外接式儲存媒體快閃記憶卡發展。
．ORNAND：不是作為NOR的替代技術，而是與NAND競爭的產品
ORNAND為Spansion(AMD與富士通快閃記憶體事業於2003年合併成立的新公司)於2005年9月底推出採用第二代MirrorBit技術(第一代與第二代分別於2001年與2003年由AMD所提出，用來克服NOR Flash存儲密度過低的缺陷的技術)，並結合NOR Flash的高速度與NAND Flash低成本的優勢之內嵌儲存元件。ORNAND具備NAND Flash可儲存大量資料，同時具有NOR Flash在讀寫速度方面的優點，與三星OneNAND類似，ORNAND也是NOR與NAND的結合體，根據Spansion指出，ORNAND未來在手機市場上將與NAND Flash相互競爭，雖然2005年第一款1Gbit的ORNAND晶片在容量方面遠比NAND Flash最小容量的16Gbit小很多，Spansion表示，ORNAND比NAND Flash在讀取速度(目前最高寫入速度可達150Mbit/s)及價格方面都具優勢。
ORNAND目前在3G手機市場方面同時支援TD-SCDMA、UMTS/WCDMA與CDMA2000 1xEV-DO/DV，面對未來3G手機對高容量的需求，Spansion計畫2006年中提供採用90奈米製程之多晶片封裝(MCP)和堆疊式封裝(POP)，容量為3Gbit的完整的儲存子系統，其中包括Spansion MirrorBit NOR，Spansion MirrorBit ORNAND以及來自RAM供應商的RAM。此外ORNAND提供64位元密碼的硬體的快閃記憶體安全系統，可防止重要的作業系統代碼、電話身份辨識資訊與重要的系統設定資料未經授權的竄改。面對未來3G手機ORNAND具有啟動速度比代碼映射技術(Code Shadowing)快54%，以及具有CD品質的MP3播放、最高支援500萬畫素的照相手機模組、DVD品質的MPEG4播放品質與VGA解析度下超過30fps的性能，支援USB2.0全速上傳和下載，以及在待機模式下可節省更多電量的低功耗特性，為3G手機嵌入式快閃記憶元件最佳選擇方案之一。
．OneNAND：不是作為NAND的替代技術，而是與NOR競爭的產品
OneNAND為三星推出結合NAND Flash高密度、快寫入速度與NOR Flash讀取速度快的優點的結合體，具備高容量、超高速Booting、超快速讀寫等特性。OneNAND採用NAND快閃記憶體架構，藉由資料緩衝記憶體SRAM做為高速緩衝區和邏輯介面，可以將OneNAND密度提高至NAND Flash的容量水準，目前OneNAND最高容為4Gbit，雖然在容量上仍遠不如NAND Flash但比NOR Flash高出許多，為滿足不同層次的需求，三星還推出包括512Mbit、1Gbit和2Gbit的多種容量供選擇。OneNAND既可以負擔系統程序執行的功能，也將用於資料儲存，加上結構簡單，手機廠商可以達成產品的輕薄化且成本得到有效控制的目標。
儘管OneNAND藉由SRAM解決內核不具備XIP的能力，而有無法與NOR Flash媲美的缺陷，不過由於OneNAND具有108Mbit/s的讀取速度(與一般NOR Flash速度一致，速度上亦高過7,200轉硬碟)，在寫入速度方面為9.3Mbit/s(為NOR Flash的66倍)，在數據消除方面，OneNAND與NAND Flash皆達64Mbit/s(NOR Flash僅0.11Mbit/s)工作電壓為1.8伏特，所以在讀取、寫入與消除優於NAND Flash，NOR Flash更無法匹敵(表4)，未來3G手機將逐漸邁向三星試圖消除NOR Flash於手機嵌入式儲存元件的角色，朝OneNAND整合NAND的解決方案目標達成。
多晶片封裝(Multi-chip Package, MCP)型態可將占整體手機功耗高達20%的內嵌式儲存元件包括SRAM與Flash(NOR與NAND)整合，以滿足近來MP3、相機手機(拍照與攝影)、影像播放(MPEG4)、衛星定位系統(含GPS與AGPS)、行動電視(DVB-H、T-DMB與FLO)、隨身碟與個人數位助理等新功能陸續被整合進手機內。手機內部元件與電源的使用需求已遠遠超過傳統手機(Feature Phone)單純語音通訊處理方面的需求，因此如何同時兼顧功耗(延長待機時間與通話時間)、容量(滿足日益增加的文字資料及串流媒體)與尺寸(輕薄短小或尺寸不增加過多)等的要求，將使業者面臨更大挑戰。目前包括英特爾、三星、瑞薩與Spansion等廠商，除發展NAND Flash、NOR Flash、SRAM、PSRAM (CellularRAM、COMORAM與UtRAM)與整合NAND及NOR(ORNAND與OneNAND)外，均已將MCP型態之記憶體元件列為未來3G或未來手機，以及各可攜式娛樂產品發展的重點。根據研究機構IDC的統計，全球MCP出貨量將由2001年僅9,800萬顆成長至2008年的6.06億顆，至於全球MCP的銷售額方面，將由2001年的8.66億美元急速成長至2008年的76.28億美元。
由於目前硬碟容量高且單位成本優於NAND Flash，硬碟廠商正在努力縮減硬碟的體積、耗電以符合手機需求，不過由於硬碟自一開始便不是針對手機應用而設計，因此存在許多先天上的侷限性如抗震性不良、耗電量高與體積大等，且以電流方式傳送資料的NAND Flash亦優於以磁性媒介與機械元件儲存資料的硬碟，對強調寫入與讀取效能的手機而言，微型硬碟略顯遜色，加上微型硬碟採用的磁性儲存媒介、讀取機構、馬達等相關零組件成本下降不易，而且越是微型化則成本越高，所以未來在Flash價格不斷下跌，以及製程又不斷微縮下，NAND Flash每單位儲存成本將逼近、甚至優於硬碟的單位成本，因此就長期觀點，微型硬碟在抗震性、耗電量、體積、單位成本與資料傳輸效能等方面劣於NAND Flash的情況下，NAND Flash在手機外接式儲存媒體的地位將更穩固。
雖然NAND Flash採用序列式而非隨機式資料存取方式，在初始資料的讀取方面較NOR Flash慢，導致NAND Flash資料存取過程中所發生的初始延遲，以及引導時間與啟動時間較慢，不過由於NAND Flash單元密度高，可以在相同尺寸下提供更高的儲存容量，因此成本相對於NOR Flash低，因此為滿足3G手機對資料儲存高容量的需求(文件、資料及串流媒體)，手機廠商已在3G新款手機設計上，增加快閃記憶卡插槽，根據TRI報告指出，全球具記憶卡插槽的手機出貨量，將由2003年的5,000萬支成長至2008年約4.3億支(圖3)。
根據iSuppli預估，手機用小型記憶卡出貨量可望從2004年的3,900萬片規模，快速成長到2009年超過6億片出貨量規模，2004～2009年的年複合成長率(CAGR)超過70%(圖4)。
根據目前全球主要手機廠商所推出具快閃記憶卡插槽的手機機型，未來高達40款以上的快閃記憶卡規格，初期將在手機市場被統一成SD、miniSD、RSMMC、microSD、Memory Stick DUO與M2 (Memory Stick Micro)等6款快閃記憶卡規格，如表5所示，由各手機廠商預計2006下半年推出的手機觀察，未來用於手機的快閃記憶卡主流規格將集中於miniSD、RSMMC、microSD與M2等4款。