助攻下世代AI晶片研發！國研院攜旺宏開發新型3D DRAM

AI產品已廣泛使用在各行各業不同情境，其中負責儲存資料的隨機存取記憶體（RAM）元件，在AI晶片中扮演至關重要的角色，國科會轄下國家實驗研究院臺灣半導體研究中心25日召開記者會，宣布與旺宏電子合作，成功開發出「新型高密度、高頻寬3D動態隨機存取記憶體」（3D DRAM），以電晶體取代傳統電容結構，記憶體尺寸更小、密度更高、更省電、高頻寬、耐用度高等優勢，能助攻下世代AI晶片研發。而國研院與旺宏電子合作團隊也是全世界最早開發出此種新型3D DRAM的團隊之一。記者／李琦瑋

AI產品已廣泛使用在各行各業不同情境，其中負責儲存資料的隨機存取記憶體（RAM）元件，在AI晶片中扮演至關重要的角色，國科會轄下國家實驗研究院臺灣半導體研究中心25日召開記者會，宣布與旺宏電子合作，成功開發出「新型高密度、高頻寬3D動態隨機存取記憶體」（3D DRAM），以電晶體取代傳統電容結構，記憶體尺寸更小、密度更高、更省電、高頻寬、耐用度高等優勢，能助攻下世代AI晶片研發。而國研院與旺宏電子合作團隊也是全世界最早開發出此種新型3D DRAM的團隊之一。

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國研院攜手旺宏電子開發出新型3D DRAM，尺寸更小、密度更高、更省電，能助攻下世代AI晶片研發。（圖／記者 李琦瑋攝）[/caption]

記憶體在AI時代的重要性

記憶體在AI時代越發重要，因為它直接影響到AI晶片處理數據的速度、效率和可靠度，不論是AI訓練、穿戴式裝置、醫療電子、車用電子、智慧家電等，記憶體都扮演重要角色。

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國研院表示，傳統2D平面製作的記憶體已達密度上限，為了尋求突破，記憶體廠商紛紛將研發焦點轉向3D堆疊記憶體，就像是把平面停車場改為立體停車塔，如此便能在相同的面積上大幅提升記憶體密度。其中，簡稱DRAM（Dynamic Random-Access Memory）的動態隨機存取記憶體，因為具備讀寫速度快、高耐久和低成本的特點，而成為AI晶片中暫存記憶體的主流。

國研院指出，AI晶片需要進行極大量、極快速的資料運算，在現在的AI晶片整體架構中，是利用半導體封裝技術，將2D平面製作的DRAM層層堆疊及串連在一起，製作高頻寬記憶體HBM（High Bandwidth Memory），然而記憶體的頻寬仍受到此封裝技術上的限制，加上現有的DRAM耗能也高，增加了AI晶片的總耗電量。因此，如何製造出更高頻寬（傳輸訊號更快）、更高密度（更大容量）且更低耗能的HBM，成為目前全世界各研發單位及記憶體大廠的主軸研發方向。

開發無電容新型設計 縮小尺寸、降低能耗

國研院半導體中心研究員楊智超表示，與旺宏電子合作開發的3D DRAM，不使用傳統記憶體中體積較大的電容，而以兩顆氧化銦鎵鋅（Indium Gallium Zinc Oxide, IGZO）電晶體串聯而成，可將0與1的訊號儲存在兩顆電晶體之間。這種無電容的新型結構設計，讓記憶體尺寸變得更小，因而在進行3D堆疊時能更緊密，也消除了電容造成讀寫速度慢及耗能高的缺點。

楊智超提到，此外，由於使用新材料氧化銦鎵鋅製作電晶體，這是一種寬能隙半導體材料，可降低儲存訊號隨時間而流失的機率，進而延長記憶體的資料保存時間，相較於傳統的DRAM，保存時間可延長達數千至數萬倍以上，這代表耗電儲存與讀取資料的間隔時間也可以大幅拉長，因而大幅降低能耗。且這種新型記憶體的高耐久度亦得到實際驗證，是應用在AI晶片的HBM記憶體首選。

結合雙方專利技術 建立世界領先地位

要實現HBM記憶體的3D堆疊，最重要的是要避免加熱製作上層記憶體時，「熱」損壞下層已經製作好的半導體元件。

楊智超指出，國研院半導體中心的「積層型3D晶片製程服務平台」，歷年來已開發出多項低溫製造技術，極具應用潛力，能讓下層元件保持在低溫環境中，可應用於層層堆疊的HBM記憶體製造。

楊智超提到，另一項技術重點是透過旺宏電子的Bit-Cost Scalable專利製程技術，先將許多層記憶體的電流通道做垂直堆疊，再利用一次性的蝕刻，將記憶體單元陣列製作出來，大幅減少了3D堆疊記憶體的製程步驟，能節省製作時間、降低成本。最後雙方合作成功開發出「新型高密度、高頻寬3D動態隨機存取記憶體」，可用於AI晶片中HBM記憶體。

國研院表示，目前全世界僅有數個頂尖研究團隊提出此種3D DRAM的雛形及結構，均仍在實驗階段，尚未進入量產，未來半導體中心與旺宏電子合作開發的新型3D DRAM若順利導入量產，將能在全世界建立起領先的地位。

旺宏電子前瞻技術實驗室處長謝光宇說，擁有新技術才能幫助企業彎道超車、從紅海殺入藍海，感謝國研院提供產學研合作平台，加速創新，大家共同精進臺灣半導體技術。

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