金魚的記憶才不只 7 秒！記憶力怎麼回事？好想要超大記憶容量

本文轉載自顯微觀點

斑馬魚是最知名的模式生物之一，其基因、型態與發育深受了解，並用於探討深度同源等重要演化生物學問題。但也有科學家提出，演化生物學該持續隨環境演進，並嘗試以新的實驗物種——金魚——探討人類世（Anthropocene）環境下的生物演化。

育種歷史與基因巧合 奠定金魚的演化生物學價值

例如有千年馴化歷史、型態千變萬化的金魚，就相當適合探討人類因素與生物型態演化的關聯。

中研院細生所派駐臨海研究站的演化與發育生物學家太田欽也指出，斑馬魚與金魚兩者的胚胎都可以透過顯微鏡仔細觀察，相對於受精一年後才成熟的金魚，斑馬魚有成熟較快，基因組較為單純等優點，也具備許多現成基因研究工具。

但斑馬品系間仍以其生理機能與基因為主要差別，對型態差異的演化並未那麼明顯。因為，科學家為了操作基因與細胞特徵而培育斑馬魚，使不同品系的差異大多來自目標明確的基因工程。

而金魚的型態變異，則完全來自飼養者對型態的偏好和育種，蘊藏更多元的型態變化與發育差異。其悠長的馴養歷史以及更古老的基因重複（Gene Duplication）機遇，使其值得成為演化發育生物學的新模式生物。研究器材和方法上的調整，則是生物學家展現才智的機會。

太田欽也舉例，「一般的解剖顯微鏡工作距離適合觀察和操作斑馬魚，但是經過我們自己的創意，也改裝出可以對金魚進行顯微手術的器具和適合拍攝的大型解剖顯微鏡。設備上的差異並不難克服。」

金魚胚胎的發育生物學優勢

太田欽也說，現代生物學家以果蠅和微生物育種進行遺傳與演化實驗，擴大時間維度來看，千年來金魚愛好者挑選、強化金魚外觀特徵的過程，可以比擬長時間的人擇實驗。

金魚不僅適合用來觀察人擇壓力如何影響成年生物的型態。太田欽也更想進一步探索，從胚胎階段的差異進行選擇，是否可能改變生物的型態。

太田欽也提到，人工育種對發育與型態的影響力也展現在其他物種上，例如家犬與鴿子也被培育出許多特殊表型。但是哺乳動物和鳥類的胚胎觀察不易，需要相當高的技術與成本。

相對於動物子宮與鳥類蛋殼內的胚胎，在透明卵囊中發育的半透明金魚胚胎，就是非常容易觀察的研究對象。只要有恰當的複式顯微鏡、解剖顯微鏡和顯微手術能力，金魚的胚胎從受精到孵化都可以全程順利紀錄，而且每次繁殖可以蒐集到上百筆資料。

自製影片 盼演化生物學跨過學院圍牆

除了將金魚研究成果發表在 Nature 等科學期刊，太田欽也同時努力當起「Youtuber」。他希望能將演化發育生物學、金魚飼育經驗、臨海研究站的學術特色，甚至是宜蘭的風光，透過網路傳達給大眾。

武漢肺炎導致的漫長隔離，是他學習影音製作的契機。最初他在百無聊賴之下看了大量影片，後來逐漸萌發「我也要拍自己的題材！」的企圖心。開始搜尋拍攝、後製、配樂等網路教學，在隔離的單人房中逐漸進步。

太田欽也說，拍攝影片最重要的動機是「分享」。他解釋，「科學的頻道不管累積再多追蹤者，例如數十萬人追蹤的 Nature, Science, 觀眾也以科學領域工作者為主。現代知識逐漸朝向『專家』與『外人』的兩極化狀態發展，我不喜歡這樣的社會。」

如同他推進學術研究的方法，他也透過自學、自己組裝基礎設備如空拍機、手機等，在節省開支的情況下拍出了中研院同僚為之驚艷的影片。

在早已開始的人類世 何謂自然？

太田欽也熱衷以空拍影片介紹宜蘭的郊野與人文，但他對主流輿論的「自然環境」內涵存疑，他認為「自然」早已被人類行為大幅改變。自從農業擴張、工業革命發生，人類對環境與生物的改變程度早已無法恢復「自然原貌」。

他以金魚的馴化過程為例，從宋朝開始的愛好者，透過育種極力凸顯特殊形態，從沒有背鰭的「蛋種」，到眼周水泡足以遮蔽視線的「水泡眼」。都不是基於適應「自然」而進行的育種。

太田欽也強調，「如果是宋朝或明朝人有今天的生物學工具，以他們的追求珍奇的育種態度，一定會用 CRISPR 編輯金魚基因，製造出更奇特的變異型態。」

他說，這樣的行為會在現代科學圈與社會輿論上遭到反對，「認為動物被修改基因、型態變異很可憐」，但人類採用動物進行藥物實驗或經濟用途時，也並未優先考慮「自然原則」。

太田欽也反問，「若是透過基因編輯技術將金魚修改回類似野生鯽魚的型態，更適應野外環境，這樣算是自然或不自然呢？」

建立科技倫理 而非堅守「自然」想像

他指出，金魚的馴化與育種反映著東亞社會的自然觀念，不同於西方基督教倫理的「人統御、保護自然」意識形態。可以促進人們反思，人類也身在其中的「自然」的標準是什麼？而非執著於保護想像中的自然「原狀」。

太田欽也強調，「本質化『自然』、建構一個保守不變的形象，不會幫助人們了解生物學。」

他認為，宋朝人、明朝人的自然觀念與今日不同；甚至現代人常引用的「道法自然」倡議者老子，他所提倡的自然，與現代許多人想像、意圖恢復的也是不同的自然。

太田欽也建言，科學地面對人類因素影響世界各地生態的現實、建立基因科技的社會倫理與規範，都是比恢復建構出的「自然」意象更重要的生物學議題。

來自日本和歌山縣鄉間的太田欽也說，長期駐守宜蘭頭城的臨海研究站不僅是因為設施與職位，也是因為此處環境與故鄉有幾分神似。

「但我不會說這兩個地方都很『自然』，在人們對我說『這裡很自然！』的時候。」太田欽也無奈地笑說，「想到周遭可以釣起吳郭魚的溪流、被整治疏濬成田園的原洪氾濕地，反而會讓我很疑惑彼此對『自然』的共識。」

1995 年諾貝爾化學獎得主克魯岑（Paul Crutzen）指出，現代已是由人類行為影響地質特性的人類世。此概念引起地質科學界激烈討論，從新石器時代、工業革命到核彈試爆頻繁的 1960 年代都有學者認為是人類世的開端。

最後由國際地層委員會的人類世工作小組投票決定，視第二次世界大戰後、人口與人類活動高速成長的20世紀中葉為人類世起點。

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1. Li IJ, Lee SH, Abe G, Ota KG. Embryonic and postembryonic development of the ornamental twin-tail goldfish. Dev Dyn. 2019 Apr;248(4):251-283.
2. Abe G, Lee SH, Chang M, Liu SC, Tsai HY, Ota KG. The origin of the bifurcated axial skeletal system in the twin-tail goldfish. Nat Commun. 2014 Feb 25;5:3360.
3. 太田欽也實驗室

快閃記憶體常被用在個人電腦的 USB 記憶體、數位相機或智慧型手機的記憶卡等地方。即使切斷電源，記憶內容也不會消失，屬於非揮發性記憶體，且與 DRAM 的隨機存取類似，可讀取、擦除、寫入內容。不過，快閃記憶體的動作較慢，無法取代 DRAM。

快閃記憶體由東芝的舛岡富士雄於 1984 年發明。

DRAM 會透過記憶體電容器累積的電荷來記憶資訊。而快閃記憶體則會透過 MOSFET 內的懸浮閘極累積電荷。

圖 4－11 為快閃記憶體的結構。MOSFET 的閘極與 Si 基板之間，有個不與任一方相連的懸浮閘極。

這個懸浮閘極就是快閃記憶體的特徵。電荷儲存在這裡時，因為周圍是由氧化膜（SiO₂）構成的絕緣體，所以電荷（電子）不會跑到其他地方。即使切斷電源，記憶體內的資訊也不會消失，為非揮發性記憶體。

快閃記憶體的懸浮閘極帶有電荷時，儲存的是「0」；無電荷時，儲存的是「1」。懸浮閘極可透過累積或釋放電子，來記錄或保存資訊。

圖 4－12(a) 為寫入「0」的情況。此時源極、汲極、基板皆為 0V，並對控制閘極施加正電壓。

於是，Si 基板內的電子就會穿過氧化膜，於懸浮閘極內蓄積。「電子可穿過絕緣體氧化膜」聽起來有些不可思議，不過氧化膜相當薄，厚度只有約數 nm，所以電子可以透過穿隧效應穿過氧化膜。

因此，Si 基板與懸浮閘極之間的氧化膜也叫做穿隧氧化膜。寫入資訊「1」時，懸浮閘極不會蓄積電子，所以什麼事都不會發生。

當我們想要消除資訊，也就是消除懸浮電極蓄積的電子時，需讓控制電極電壓為 0V，並對源極、汲極、基板施加正電壓，如圖 4－12(b) 所示。這麼一來，懸浮電極內蓄積的電子就會透過穿隧效應穿過氧化膜，移動到電壓較高的基板一側。於是，原本蓄積於懸浮電極的電荷就會消失。

另一方面，當我們想要讀取資訊時，只要在控制電極施加一定的正電壓，便可透過從源極流向汲極的電流，讀取儲存單元內的資訊（圖 4－13）。

若懸浮閘極內有蓄積電子（「0」的狀態），這些電子的負電會抵消掉控制閘極施加的正電壓，使電流難以通過底下的通道。

利用懸浮電荷量不同來控制記憶體

若懸浮閘極內沒有累積電子（「1」的狀態），閘極電壓就會直接影響到基板，與 MOSFET 的情況一樣，故下方會有電流通過。所以由電流的差異，就可以判斷儲存單元的資訊是「0」或「1」。

即使懸浮閘極內有蓄積電荷（圖 4－13 的「0」狀態），要是對控制閘極施加的電壓過高，源極與汲極之間還是會有電流通過。

也就是說，懸浮電荷量不同時，使電晶體開始產生電流的閾值電壓（V_th，參考第 89 頁）也不一樣。故我們可藉由懸浮電荷量的控制來記憶資訊。

由前面的說明可以知道，像圖 4－14(a) 這樣的單一儲存單元，只能記錄 1 個位元，可能是「0」或「1」。

用閾值電壓判斷單元狀態

不過，如果閾值電壓可任意控制，就可以將懸浮閘極依儲存的電荷量，從滿電荷到無電荷分成 4 個等級，如圖 (b) 所示。4 個等級可分別對應「01」、「00」、「10」、「11」。這麼一來，1 個儲存單元就可以記錄 2 位元的資訊。

因為每種狀態所對應的閾值電壓都不一樣，V_th01＞V_th00＞V_th10＞V_th11，所以讀取資訊時，可以由閾值電壓判斷該儲存單元處於何種狀態。

可分成 4 種狀態的單元稱為 MLC（Multi Level Cell）。另一方面，只有 2 種狀態的單元稱為 SLC（Single Level Cell）。

MLC 的 1 個儲存單元可以記錄 2 位元的資訊。如果將 V_th 分成更多區間，還可以記錄 3 位元、4 位元的資訊，進而提升容量。不過，MLC 懸浮閘極寫入電壓的控制技術相當困難，MOSFET 對干擾現象又特別敏感，所以要做成增加更多層相對困難。

快閃記憶體的缺點

另外，快閃記憶體在記錄、消除資訊時，需使用 10V 之類相對較高的電壓，電子才能突破穿隧氧化膜。因此，反覆讀寫會造成氧化膜劣化，最後使儲存單元無法保留電子。也就是說，快閃記憶體的壽命比其他記憶體還要短。寫入速度較慢也是一項缺點。

另一方面，快閃記憶體與 DRAM 不同，不使用電容器，所以1個晶片可搭載的儲存單元較多，較容易提升容量。

快閃記憶體的組成——NAND 型與 NOR 型

快閃記憶體與 DRAM 一樣，都是由許多儲存單元排列成矩陣的樣子。快閃記憶體可依組成分成 NOR 型與 NAND 型 2 種（圖 4－15）。

圖 4－16 為 NOR 型的快閃記憶體結構。除了字元線與位元線之外，還有「源極線」存在，且源極線需通以電流。

NOR 型的快閃記憶體運作方式與 DRAM 相近，較好理解。以圖中圈出來的儲存單元為例，讀取單元內的數值時，會在對應的字元線施加讀取用電壓，然後透過位元線讀取資訊。另一方面，消除或寫入資訊時，會對位元線施加寫入用電壓，字元線也會施加寫入用電壓。

實際上的運作相當複雜，所以不像 DRAM 那樣只有 0 與 1 的 2 種數值，不過和 DRAM一樣是一個個單元讀取、寫入。換言之，可以隨機存取儲存單元。

另一方面，NAND 型快閃記憶體的結構則如圖 4－17 所示。

NAND 型的結構中，同一條字元線串聯起許多儲存單元，稱為 1「頁」（page），多條字元線有許多頁，稱為 1 個「區塊」（block）。

圖 4－18 中，1 條位元線可串聯起許多儲存單元。這種結構有個特徵，那就是同一條位元線上，各個 MOSFET 的源極與汲極皆串聯在同一列上。這一列MOSFET製作在半導體基板上時，剖面圖如下。

基板上，1 個電晶體的源極，與相鄰電晶體的汲極共用同一個n^＋區域，所以表面不需設置電極。少了電極而多出來的空間，就可以用來提升電晶體的聚積密度。

不過這種結構下，1 條位元線的電流比 NOR 型的電流還要小，所以讀取速度比較慢。另外，因為 1 個儲存單元比較小，所以懸浮閘極保留的電荷也會比較少，使資料保存的可靠度較差。

NAND 型的擦除與寫入步驟

NAND 型快閃記憶體需以 1 個區塊（含有許多頁）為單位進行擦除，以 1 頁為單位進行寫入。

因此，要更改 1 頁的內容時，必須將含有這 1 頁之整個區塊的資訊暫時複製存放到外部的其他地方，然後刪去整個區塊的資料，然後再把區塊資料複製回來，同時把要更改的內容寫進去。

也就是說，即使只是要改寫 1 位元的內容，也必須將整個區塊的資料都刪除掉才行。因為必須一次刪除廣大範圍的資料，所以被取了「快閃」這個名字。

不過，寫入資料時是一次寫入一整頁資料，所以寫入速度比 NOR 型還要快。

若比較 NOR 型與 NAND 型，會發現 NOR 型的優點是讀取較快，資料的可靠度較高。所以像是家電的微處理器、含有簡單程式的記憶體等裝置，對讀取的需求大於寫入，便會採用 NOR 型快閃記憶體。雖然容量不大，寫入較慢，但這些裝置幾乎不會進行寫入動作，所以高可靠度、較快的讀取速度對它們來說比較重要。

然而，快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置，常需改寫儲存單元內的資料。此時，NAND 型的高聚積化就會是很大的優點。因此 NAND 型目前才是快閃記憶體的主流。

——本文摘自《圖解半導體：從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》，2022 年 11 月，台灣東販出版，未經同意請勿轉載。

報導/陸子鈞

在有運算功能的電子產品－像是電腦、智慧型手機裡，有不同種類的記憶體負責不同的功能；接近處理器的記憶體像是SRAM與DRAM，運算速度快，但只要一關機，少了電源供給，資料就會消失，於是需要將資料存進可長期保存資料的非揮發性記憶體如硬碟與NAND FLASH中。但上述傳統元件的速度比起DRAM慢得太多，因此常拖慢系統整體運算效能，而MRAM是一種新型態的非揮發性記憶體，假如MRAM的運算速度能和SRAM或DRAM一樣快，那麼就能兼具運算和儲存資料的功能了！

經過多年的努力，工研院電光所開發出新一代自旋磁性記憶體－STT MRAM（STT：spin-torque-transfer, 自旋力矩傳輸）。有別於目前常見的MRAM利用導線產生的磁力來翻轉自由層磁性向量，狀態互換（0/1互換）所需的電流較大，資料讀取不易；STT MRAM則是利用自旋力矩傳輸效應翻轉自由層磁性向量，狀態互換所需的電流較小，耗能較低、讀寫也只需10奈秒，使得MRAM有潛力得以取代DRAM，同時作為工作記憶體及儲存記憶體。

此外，在電子產品體積日漸縮小的趨勢下，記憶體元件微型化的過程中會遭遇到熱干擾的問題，使得記憶失效。自旋磁性記憶體技術是目前最有機會克服了這個40多年以來的瓶頸，在縮小記憶體元件的同時，仍保有無限次讀寫的能力，使自旋磁性記憶體有更廣泛的應用。

這項技術是全球首次不需要外加磁場就能讓MRAM具有對稱翻轉的特性。電光所奈米電子技術組的顧子琨組長自豪地表示：「就連國外其他記憶體大廠的技術，也必須參考我們發表的報告，思考如何解這個大問題。」工研院希望新一代磁性記憶體能夠補足台灣的技術缺口，也因為和目前的CMOS積體電路製程相容，所以可以在2015年時就進入量產，具備和韓國三星、日本東芝等廠商競爭的能力。

技術專頁:NVM非揮發性記憶體

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