新时代，新存储——物联网世界中的存储技术变革

最新公布的财报数据显示，得益于物联网、Wi-Fi 6/6E、工业、通信网络等行业对内存芯片的强劲需求，华邦电子2022年上半年营收达到了30.86亿新台币，较去年同期增长19%，毛利率达到52%，再创新高。
 
按照不同应用领域划分，涵盖信息娱乐系统、先进驾驶辅助系统与汽车仪表盘的汽车与工业 (Car & Industrial)；包括智能电视、机顶盒、可穿戴设备和监控摄像头的消费电子 (Consumer)；包括硬盘驱动器、PC外设、打印机的电脑(Computer)；以及专注于网络和智能手机业务的通信 (Communication)，构成了华邦2022年上半年的四大主要收入来源，占比分别为25%、20%、24%和31%，分布相当均衡。
 

 
如果从技术路线图来看，闪存 (Code Storage Flash)、TrustME^TM安全闪存、利基型动态随机存取内存 (Specialty DRAM)和移动随机存取内存 (Mobile DRAM)是华邦手中的“四大王牌”。
 
最具代表性的DRAM产品适用于需配备4Gb或以下容量DRAM的应用，如人工智能加速器、物联网、汽车、工业用、电信、WiFi-6、WiFi-6E、xDSL、光纤网络、智能电视、机顶盒、IP摄像头等。
 
其中，利基型动态随机存取内存产品组合涵盖SDRAM、DDR、DDR3、DDR4等多个类型，容量从16Mb到4Gb不等；移动随机存取内存则能够提供PSRAM、HYPERRAM^TM、LPSDR/LPDDR、LPDDR2、LPDDR3、LPDDR4/4X等产品，容量从32Mb到4Gb不等。
 
工艺方面，华邦台中工厂以46nm和38nm制程为主，高雄工厂今后将主攻20nm甚至是1y以下的先进制程工艺。但就目前而言，25nm和25snm工艺会是华邦的重点所在，台中、高雄两座工厂都为此进行了大量投入。
 
“从2019年到2021年，DRAM和Flash市场一直处于缺货状态，加之受到COVID-19疫情和俄乌战争影响，缺货的时间表又被延长。我们预计最早要到今年下半年或是2023年，内存市场的供货状况才会有所缓和。”华邦DRAM产品技术经理Tetsu Ho在先前举办的研讨会中表示，很多不同类型的内存厂商都在积极扩充产能，华邦也不例外，其第二座12寸晶圆厂预计将于2022年第四季度落成使用。
 
赋能物联网新时代
Tetsu Ho援引IoT Analytics Research的最新报告称，物联网半导体市场规模将有望从2020年的330亿美元增长到2025年的800亿美元，复合年增长率高达19%。其中，物联网微控制器 (MCU)、物联网连接芯片组、物联网AI芯片组和物联网安全芯片组和模块，将成为增长最为迅猛的四大领域。
 

 
以MCU为例，作为IoT市场的核心组件，MCU在物联网设备中主要负责传感器的监测与控制，其市场渗透率预计将有望从2019年的18%增加至2025年的29%。其中，仅32位MCU的出货量就将在2025年  达到230亿颗。而随着终端IoT设备智能化程度的不断提高，IoT AI芯片组的出货量也有望在2025年达到6亿颗规模，年复合增长率高达22% (2019-2025年)。
 
与此同时，众多无线通信方式，无论是3G/4G/5G，还是LoRa、超低功耗蓝牙、Zigbee、Wi-Fi，层出不穷，在物联网设备、手机、服务器和云端间架起沟通的桥梁。当然，随着数据呈海量爆发模式，数据安全的重要性变得日趋重要，打造“以硬件为基础的根信任”正成为行业普遍共识和努力目标。
 
“其实，华邦的存储产品在上述四大领域中无处不在，它们默默扮演着AIoT这个伟大时代幕后英雄的角色，但却很少被人们所熟知。”Tetsu Ho说，在智能手表中，所有监测到的数据，包括心跳、血压、呼吸，甚至是最关键的血氧含量，都被完整地记录在以华邦64Mb pseudo-SRAM、128Mb Low Power SDR、256Mb HYPERRAM、256Mb Low Power DDR为代表的存储芯片中。
 
在骑行者最喜欢使用的自行车车表中，华邦1Gb Low Power DDR2产品准确记录着从速度传感器、GPS、踏板功率计等多个渠道采集而来的数据，消费者可以通过数据分享实现社群交流的目的，让看上去略显枯燥的数据变成出色的社交工具，拉近人与人之间的距离。
 
开车通勤也是很常见的物联网应用场景。无论是汽车仪表盘 (cluster)、信息娱乐系统 (infotainment)，或是远程信息处理 (telematics)、先进驾驶辅助系统(ADAS)，以及车联网 (V2X)，华邦都有相对应的内存和接口产品供车厂选择，包括HYPERRAM、SDR、LPDDR、DDR2、DDR3、LPDDR4等，无处不在。
 

 
值得一提的是，随着汽车智能化程度越来越高，消费者已经可以将手机经由蓝牙与汽车相连，通过OBD (On-board Diagnostics，车载自动诊断系统) 传输转速、油温、涡轮转速/压力等数据，或是通过OTA方式进行系统更新。所以，在手机中，华邦可提供1Gb LPDDR2和2Gb LPDDR4小容量内存产品，主要用于手机基带中进行LTE和5G的数据传输。
 
而在智能家居行业中，Matter标准的出台让人们看到了解决智能家居系统碎片化的希望所在。简单来说，引入Matter规范之后，买家无需确定Nest恒温器是否与Apple HomeKit兼容，或者Amazon Echo设备是否可以控制第三方智能门锁，只需在设备上寻找Matter批准印签，即可确保互操作性。对于智能家居产品制造商而言，可以通过统一标准来构建产品，从而简化开发过程。同时，Matter规范是基于IP的标准，也为开发人员提供了通用且已构建的沟通交流基础。
 
预计从2022年至2030年，将有超过200亿部无线互联智能家居设备在全球出售，其中很大一部分设备类型将满足Matter规范。在未来几年内，这些产品中的绝大部分，还有其他的产品，诸如消费型机器人和智能电器，也将会支持Matter规范。
 

智能家居硬件出货量(2021-2030) 图源：ABI Research

 
基于此，OEM厂商将更多地期待他们的合作伙伴和供应商，不仅要提供集成的连接、处理、安全硬件和软件，还要提供服务和基础设施，以简化设备的创造和管理。这对包括华邦在内的半导体芯片厂商来说，无疑意味着新的、巨大的市场机会。
 
其实，对5G/4G/IoT/Wi-Fi等众多无线通信协议的无缝支持，是Tetsu Ho在研讨会中强调的重点。下图中，X轴代表数据传输速率 (Mbps)，纵轴代表传输范围，不难发现，3G时代功能机中使用最多的是32Mb/64Mb pseudo-SRAM，但目前已经逐步被小容量的HYPERRAM所取代；到了4G时代，华邦LPDDR2产品在高频宽LTE Cat4-Cat10终端中被大量使用；而现在的5G终端中广泛使用的则是LPDDR4产品。
 
另一块不能被忽视的领域，是以NFC、Zigbee、蓝牙、BLE，甚至Wi-SUN、WiFi-HaLow、LPWA为代表的众多短距离、低速率无线协议，目前华邦在该领域的主打方案是HYPERRAM系列。
 
在与蜂窝通信系统并行演进的Wi-Fi系统中，从Wi-Fi 4到最新的Wi-Fi 7，华邦都有参与其中。例如在Wi-Fi 1-4的时代，主要采用64Mb-512Mb SDR或DDR产品；Wi-Fi 5时代则是256Mb-2Gb DDR2/DDR3；而到了当前最热门的Wi-Fi 6、Wi-Fi 6E和Wi-Fi 时代7，由于频宽需求大幅增加，所以1Gb-4Gb DDR3/DDR4产品成为行业主流。
 

 
为此，华邦方面承诺说，公司将在未来10多年内继续生产DDR3 SDRAM产品，以确保满足客户的长期使用需求。目前，华邦DDR3出货量占DRAM总收入的30%，预计2024年将增加至50%。此外，华邦位于台湾高雄的新建晶圆厂将于2022年第四季度启用，采用更先进的制造技术提升产能。
 
GP-Boost^TM Memory，值得期待
 
Tetsu Ho用下图为我们展示了CPU/MPU/MCU产品在不同的IoT时代里所呈现的变迁。在早期的物联网时代，主要的数据都来源于各级各类传感器，信息简单，不需要太大的频宽；到了工业物联网 (IIOT) 时代，物联网终端设备开始趋于复杂，一些基本的数据决策和计算需要在本地完成，再加上4G的发展，无缝网络/全覆盖网络 (seamless network) 变得十分重要；进入AIoT时代，与传统印象中“大部分运算会在边缘服务器上或是边缘网关上进行处理”不同的是，相当分量的计算任务被放置于边缘终端上，从而对低延迟、安全隐私、边缘AI、网络连接提出了更高的要求。
 

 
为了应对上述变化，华邦在产线中引入了GP-Boost™ memory概念，覆盖从32Mb-256Mb ULP HYPERRAM到1-2Gb LPDDR4/4X内存的所有产品。用户可以根据不同物联网设备的属性和要求，自由选择对应的DRAM容量、性能和功耗。
 

 
以华邦的64Mb HYPERRAM为例，要知道，HYPERRAM在华邦GP-Boost DRAM产品线中的定位是“超低功耗 (Ultra Low Power, ULP)”，因此，在室温1.8V条件下，其待机功耗为70uW，而相同容量的SDRAM的功耗则是2000Uw (3.3V)；更重要的是，HYPERRAM在混合睡眠模式 (HSM，Hybrid Sleep Mode) 下的功耗仅有35Uw (1.8V)，与SDRAM在待机模式下的功耗有明显差异。
 
与pSRAM的31个引脚数相比，HYPERRAM只有13个信号引脚，相比早期SDRAM或是Pseudo SRAM大于50个的引脚数 (pin count)，更是大大简化了PCB设计。当设计师设计成品时，MPU上的更多引脚可用于其他目的，设计师也可使用更少引脚的MPU 以获得更高经济效益。
 
众所周知，控制接口越少，DRAM控制器所需的复杂度就越低。相较于PSRAM 9个/LPSDRAM 18个控制接口，HYPERRAM成功实现了控制接口简化。此外，相较于其他传统DRAM产品，HYPERRAM的开发时间更短，可以采用最新型的半导体制程节点与封装技术，以此缩小产品封装尺寸。较少的主机控制接口与较小的封装尺寸均帮助HYPERRAM 减少内存在PCB板上的占用空间，从而可大幅节省终端产品的体积，更适用于尺寸敏感的可穿戴设备。
 

 
HYPERRAM的实际应用情况远比我们想象中的更为普及。其中，KGD产品占据了当前HYPERRAM市场中的很大一部分份额，通过与各家芯片厂商合作，华邦HYPERRAM产品被集成在SoC里，应用于各类物联网应用中。此外，HYPERRAM也可以被单独应用，例如采用BGA封装的HYPERRAM产品更多应用于智能家居领域，可穿戴设备则倾向于使用采用晶圆级封装 (WLCSP)封装的产品。
 
目前，采用HYPERRAM产品的应用市场主要来自4G功能手机、智能手表、LTE物联网模块、人工智能物联网设备，从去年年底开始，包括智能音箱、智能家居、家用摄像头、智能门铃、智能门锁、工业用人机界面，甚至汽车仪表在内的多个市场，也都开始陆续导入HYPERRAM设计。