文｜半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展更迭50年，逐漸形成了SRAM、DRAM及Flash這三大主要領(lǐng)域。但是隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)持續(xù)朝更小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)，傳統(tǒng)的DRAM和NAND Flash開始面臨越來越嚴(yán)峻的微縮挑戰(zhàn)；再加上由于這些存儲(chǔ)技術(shù)與邏輯計(jì)算單元之間發(fā)展速度的失配，嚴(yán)重制約了計(jì)算性能和能效的進(jìn)一步提升。
因此，業(yè)界開始對新型存儲(chǔ)技術(shù)寄予厚望，越來越多的新型技術(shù)迅速涌現(xiàn)。
目前主流的新型存儲(chǔ)器主要包括四種：阻變存儲(chǔ)器（ReRAM/RRAM），相變存儲(chǔ)器（PCRAM），鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM/FRAM），磁性存儲(chǔ)器（MRAM）。其中MRAM正在成為當(dāng)下主流的新型存儲(chǔ)技術(shù)，并且有專家預(yù)言，MRAM將帶來下一波的存儲(chǔ)浪潮。
01、MRAM的特點(diǎn)
MRAM是一種兼具DRAM和Flash特點(diǎn)的存儲(chǔ)介質(zhì)，以下是MRAM的一些具體特質(zhì)。
非易失：鐵磁體的磁性不會(huì)由于斷電而消失，故MRAM具備非易失性。
讀寫次數(shù)無限：鐵磁體的磁性不僅斷電不會(huì)消失，而是幾乎可以認(rèn)為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無限次重寫。
寫入速度快、功耗低：MRAM的寫入時(shí)間可低至2.3ns，并且功耗極低，可實(shí)現(xiàn)瞬間開關(guān)機(jī)并能延長便攜機(jī)的電池使用時(shí)間。
和邏輯芯片整合度高：MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，甚至可以實(shí)現(xiàn)2~3層單元疊放，故具備在邏輯電路上構(gòu)造大規(guī)模內(nèi)存陣列的潛力。
02、和其他存儲(chǔ)相比，MRAM強(qiáng)在哪兒？
與SRAM相比，MRAM速度稍慢，但MRAM在速度上仍然具有足夠的競爭力，此外SRAM的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，MRAM的密度更高，以及MRAM是非易失性的，而SRAM是易失性的，斷電就會(huì)丟失數(shù)據(jù)，MRAM則不會(huì)面臨這種困擾。
與 DRAM相比，由于DRAM需要電容器充電/放電來完成讀寫，所以MRAM的讀/寫速度更快，在密度上MRAM和DRAM相似，但DRAM也是一種易失性存儲(chǔ)器。此外，MRAM的單元泄漏較低；與經(jīng)常刷新數(shù)據(jù)的DRAM相比，MRAM的電壓要求也比較低。
與Flash相比，MRAM 與Flash同樣是非易失性的，但是MRAM在耐高溫、數(shù)據(jù)保存，尤其是操作耐久度上，優(yōu)于Flash。要知道MRAM具備寫入和讀取速度相同的優(yōu)點(diǎn)，并具有承受無限多次讀寫循環(huán)的能力。
與ReRAM相比，ReRAM隨機(jī)讀寫速度優(yōu)于傳統(tǒng)存儲(chǔ)器，但要慢于MRAM和FRAM；同時(shí)ReRAM的讀寫次數(shù)約在100萬次左右，較傳統(tǒng)存儲(chǔ)器有數(shù)量級(jí)的增加，但少于MRAM的讀寫次數(shù)；其中密度和相應(yīng)的成本是ReRAM的最大優(yōu)勢；從成本方面看，MRAM由于材料的復(fù)雜性、密度瓶頸、抗磁干擾等難點(diǎn)，其成本會(huì)較高。
與FeRAM相比，MRAM與其性能較為類似，但FeRAM的讀寫速度要優(yōu)于MRAM，且可以保持較低的功耗，F(xiàn)RAM的劣勢則在于，其成本比MRAM還要高，所以它可以應(yīng)用于一些非常特殊的市場。
PCRAM也是未來十年內(nèi)最具潛力的新型存儲(chǔ)技術(shù)之一。PCRAM 具有容量大、集成度高、速度快、功能低和成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別是與新型 CMOS 工藝兼容。不過PCRAM也存在著一些明顯不足之處，特別是寫操作速度無法與DRAM相媲美，寫耐久性也與DRAM相差較大等。寫耐久性差是將其大規(guī)模應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所面臨的主要障礙之一，目前國內(nèi)外研究人員正在研究一些解決方案來應(yīng)對。就目前來說，PCRAM的商業(yè)化程度還沒有MRAM高。
當(dāng)然，MRAM也并非沒有缺點(diǎn)，它還面臨很多的挑戰(zhàn)，比如真實(shí)器件材料體系復(fù)雜、開關(guān)比低，CMOS工藝要完全匹配等。此外，MRAM的發(fā)展仍然遇到動(dòng)態(tài)功耗、能量延遲效率和可靠性方面的瓶頸。
當(dāng)下的 MRAM 家族成員包含三類：自旋轉(zhuǎn)移扭矩 (spin-transfer torque ：STT)、自旋軌道扭矩 (spin-orbit torque：SOT)、電壓控制（VCMA-和 VG-SOT）。
在非易失性存儲(chǔ)器的其他有前景的選擇中，STT-MRAM長期以來一直是上層高速緩存存儲(chǔ)器（L3 及以上）和內(nèi)存中非易失性計(jì)算的競爭者，這種存儲(chǔ)器變體使用自旋極化電流通過隧道結(jié)將磁化強(qiáng)度轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器單元。因此，STT-MRAM 的能耗比通過感應(yīng)電磁場進(jìn)行記錄的傳統(tǒng) MRAM 存儲(chǔ)器的能耗低幾倍。
SOT-MRAM是從更成熟的自旋轉(zhuǎn)移矩STT-MRAM演變而來的，由于具有更好的耐久性和兩個(gè)二進(jìn)制狀態(tài)之間更快的切換速度，因此具有更好的緩存應(yīng)用前景。
STT-MRAM (左) vs. SOT-MRAM (右)（來源：清華大學(xué)）
STT-MRAM和SOT-MRAM之間的主要區(qū)別在于寫入所用的電流注入幾何結(jié)構(gòu)。STT-MRAM中的電流是垂直注入MTJ的，SOT-MRAM的電流注入則發(fā)生在平面內(nèi)，在相鄰的SOT層中——典型情況是像鎢(W)這樣的重金屬層。因此SOT-MRAM中的讀寫路徑是去耦的，顯著提高了器件的耐久性和讀取穩(wěn)定性。平面型電流注入則消除了STT-MRAM工作時(shí)的開關(guān)延遲。2018年，imec首次展示了開關(guān)速度快至210ps的高可靠性SOT-MRAM，這種器件具有增強(qiáng)的耐久性(＞5×1010的開關(guān)周期)和300pJ的運(yùn)行功耗。
03、芯片巨頭研究進(jìn)程
目前臺(tái)積電、英特爾、三星、格芯、聯(lián)電等各大芯片廠商對于MRAM的布局，研發(fā)以及生產(chǎn)都在如火如荼地展開。
臺(tái)積電SOT-MRAM技術(shù)問世，功耗僅為STT-MRAM的1%
早在2002年，臺(tái)積電就與中國臺(tái)灣工研院簽訂了MRAM合作發(fā)展計(jì)劃。2018年，臺(tái)積電進(jìn)行了eMRAM芯片的“風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)”，2019年生產(chǎn)采用22nm制程的eReRAM芯片。
在ISSCC 2020上，臺(tái)積電又發(fā)布了基于ULL 22nm CMOS工藝的32Mb嵌入式STT-MRAM。該技術(shù)基于臺(tái)積電的22nm ULL（Ultra-Low-Leakage）CMOS工藝，具有10ns的極高讀取速度，讀取功率為0.8mA/MHz/bit。對于32Mb數(shù)據(jù)，它具有100K個(gè)循環(huán)的寫入耐久性，對于1Mb數(shù)據(jù)，具有1M個(gè)循環(huán)的耐久性。它支持在260°C下進(jìn)行90s的IR回流焊，在150°C下10年的數(shù)據(jù)保存能力。它以1T1R架構(gòu)實(shí)現(xiàn)單元面積僅為0.046平方微米，25°C下的32Mb陣列的漏電流僅為55mA。
臺(tái)積電研發(fā)STT-MRAM解決方案主要是用來克服嵌入式閃存技術(shù)的擴(kuò)展限制。之后臺(tái)積電又成功開發(fā)出22納米和16/12納米工藝的MRAM產(chǎn)品線，并獲得了大量來自內(nèi)存和車用市場的訂單。除此之外，臺(tái)積電還在積極探索SOT-MRAM和VC-MRAM，并與外部研究實(shí)驗(yàn)室、財(cái)團(tuán)和學(xué)術(shù)合作伙伴合作。
2022年6月，中國臺(tái)灣工研院與臺(tái)積電合作開發(fā)的低壓電流SOT-MRAM，具有高寫入效率和低寫入電壓的特點(diǎn)，其SOT-MRAM實(shí)現(xiàn)了0.4納秒的寫入速度和7萬億次讀寫的高耐久度，還可提供超過10年的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壽命。
就在近日（1月18日），臺(tái)積電攜手工研院宣布成功研發(fā)出自旋軌道轉(zhuǎn)矩磁性存儲(chǔ)器（SOT-MRAM）陣列芯片，標(biāo)志著在下一代MRAM存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域的重大突破。這一創(chuàng)新產(chǎn)品不僅采用了先進(jìn)的運(yùn)算架構(gòu)，而且其功耗僅為同類技術(shù)STT-MRAM的1%。
工研院與臺(tái)積電的合作使得SOT-MRAM在工作速度方面達(dá)到10ns，進(jìn)一步提高了存內(nèi)運(yùn)算性能，成功跳出了MRAM的傳統(tǒng)局限。這次SOT-MRAM的推出將進(jìn)一步鞏固臺(tái)積電在存儲(chǔ)芯片領(lǐng)域的市場地位。
這一突破性技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，特別適用于高性能計(jì)算、人工智能、車用芯片等領(lǐng)域。隨著AI、5G時(shí)代的到來，對更快、更低功耗的新一代存儲(chǔ)芯片的需求不斷增加，而SOT-MRAM正好迎合了這一趨勢，成為應(yīng)對未來科技挑戰(zhàn)的重要利器。
三星發(fā)布業(yè)內(nèi)首個(gè)基于 MRAM的存內(nèi)計(jì)算芯片
三星幾乎與臺(tái)積電同時(shí)出手，2002 年三星宣布開始MRAM的開發(fā)計(jì)劃。2005年三星又率先開始了STT-MRAM的研發(fā)，該技術(shù)后來被證明可以滿足高性能計(jì)算領(lǐng)域?qū)ψ詈笠患?jí)緩存的性能要求，被認(rèn)為是突破利基市場的利器。
然而由于成本和工藝的限制，讓三星的MRAM研發(fā)逐漸走向低調(diào)，在這期間，與FinFET技術(shù)齊名的FD-SOI，在以Leti、Soitec、意法半導(dǎo)體為代表的歐洲半導(dǎo)體科研機(jī)構(gòu)和公司相繼迎來技術(shù)突破，快速發(fā)展。
2014 年，三星與意法半導(dǎo)體簽訂 28nm FD-SOI 技術(shù)（一種與 FinFET 齊名的技術(shù)）多資源制造全方位合作協(xié)議，授權(quán)三星在芯片量產(chǎn)中利用意法半導(dǎo)體的 FD-SOI 技術(shù)。當(dāng)年，三星成功生產(chǎn)出 8Mbe MRAM，并利用 28nm FDS，在 2019 年成功量產(chǎn)首款商用 eMRAM。2020 年，三星首批基于 eMRAM 的商用產(chǎn)品上市，由其制造的 Sony GPS SoCs(28nm FDSOI) 被用于華為的智能手表，以及由臺(tái)積電采用 22nm 超低漏電制程 (ULL) 制造的 Ambiq 低功耗 MCU。
2022年10月，三星研究人員在14nm FinFET邏輯工藝平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了磁性隧道結(jié)堆疊的磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器制造，據(jù)稱是目前世界上尺寸最小、功耗最低的非易失性存儲(chǔ)器；這一樣品數(shù)據(jù)寫入僅消耗每比特25pJ，讀取時(shí)有功功率要求為14mW，以每秒54Mbyte的數(shù)據(jù)速率寫入的有功功率要求為27mW，與該公司上一代28nm節(jié)點(diǎn)的MRAM相比，讀取時(shí)間加快了2.6倍。該研究的目標(biāo)之一是證明嵌入式MRAM作為高速緩存存儲(chǔ)器適用于依賴大型數(shù)據(jù)集和分析的應(yīng)用程序，例如邊緣AI。
近日，三星電子在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊 Nature 上發(fā)表了全球首個(gè)基于MRAM的存內(nèi)計(jì)算研究。
存內(nèi)計(jì)算無需數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器和處理器間移動(dòng)，大大降低了 AI 計(jì)算的功耗，被視作邊緣 AI 計(jì)算的一項(xiàng)前沿研究。雖然 MRAM 存儲(chǔ)器件具備耐用性、可大規(guī)模量產(chǎn)等優(yōu)勢，但其小電阻的特性阻礙了這類存儲(chǔ)器被用于存內(nèi)計(jì)算。本次，三星電子的研究團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建新的 MRAM 陣列結(jié)構(gòu)，用基于 28nm CMOS 工藝的 MRAM 陣列芯片運(yùn)行了手寫數(shù)字識(shí)別和人臉檢測等 AI 算法，準(zhǔn)確率分別為 98% 和 93%。
在歐洲舉行的SFF 2023上，三星宣布了革新下一代汽車技術(shù)的愿景，并計(jì)劃開發(fā)三星首款5納米eMRAM。除了到2024年推出14納米eMRAM外，公司還計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)大eMRAM產(chǎn)品組合，到2026年推出8納米，到2027年推出5納米。對比14納米制程，8納米eMRAM有望將密度提升30%，速度提高33%。
多家布局22nm STT-MRAM
英特爾也是 MRAM 技術(shù)的主要推動(dòng)者，該公司采用的是基于 FinFET 技術(shù)的 22 nm 制程。2018 年底，英特爾首次公開介紹了其 MRAM 的研究成果，推出了一款基于 22nm FinFET 制程的 STT-MRAM，當(dāng)時(shí)，該公司稱，這是首款基于 FinFET 的 MRAM 產(chǎn)品，并表示已經(jīng)具備該技術(shù)產(chǎn)品的量產(chǎn)能力。
2019年，Everspin與晶圓代工廠格芯合作，試生產(chǎn)28nm 1Gb STT-MRAM產(chǎn)品；2020年3月，雙方宣布已將聯(lián)合開發(fā)的STT-MRAM器件的制造，擴(kuò)展至12 nm FinFET平臺(tái)，通過縮小制程有助于雙方進(jìn)一步拉低1 Gb芯片成本。Everspin在數(shù)據(jù)中心、云存儲(chǔ)、能源、工業(yè)、汽車和運(yùn)輸市場中部署了超過1.2億個(gè)MRAM和STT-MRAM產(chǎn)品。
2022年6月，瑞薩宣布已開發(fā)出用于STT-MRAM測試的電路技術(shù)使用 22nm工藝制造的具有快速讀寫操作的芯片。
2018年聯(lián)電與Avalanche Technology 宣布建立合作伙伴關(guān)系，共同開發(fā)和生產(chǎn) MRAM，以取代嵌入式閃存。2022年，聯(lián)電宣布與Avalanche Technology合作推出22納米STT-MRAM，將應(yīng)用于航天等領(lǐng)域。
04、MRAM的主要應(yīng)用市場
MRAM在邊緣方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。邊緣計(jì)算在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、人工智能、汽車以及便攜式設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷增長。伴隨著這些增長的是大家對高速、低延遲、非易失性、低功耗、低成本內(nèi)存（用于程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)備份）的需求。
雖然有許多可用方案，包括 SRAM、DRAM、閃存等,但這些技術(shù)都需要在一個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行權(quán)衡，這對于邊緣計(jì)算來說，它們似乎都不太適合。MRAM 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁存儲(chǔ)單元中，提供真正的隨機(jī)訪問，并允許在內(nèi)存中隨機(jī)讀寫。此外，MRAM 結(jié)構(gòu)和操作具有低延遲、低泄漏、高寫入周期數(shù)和高保持率等特點(diǎn)，而這些恰恰都是邊緣計(jì)算非常需要的。
此外，MRAM是實(shí)現(xiàn)存算一體的理想存儲(chǔ)器之一。到目前為止，多種存儲(chǔ)器介質(zhì)被研究用于構(gòu)建存算一體系統(tǒng)。SRAM和DRAM是易失性器件，頻繁的刷新并不利于降低功耗。而Flash雖然是非易失性的，但是隨著讀寫次數(shù)增加，浮柵氧化層會(huì)逐漸失效，反復(fù)讀寫可靠性很低。因此，各種基于電阻改變的新型存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)存算一體的有效載體。
MRAM則是基于對電子“自旋”的控制，可以達(dá)到理論上的零靜態(tài)功耗，同時(shí)具有高速和非易失性以及近乎無限的寫入次數(shù)。MRAM在速度、耐久性、功耗這些方面具有不可替代的優(yōu)越性。因此，MRAM是實(shí)現(xiàn)存算一體的理想存儲(chǔ)器之一。
05、取代DRAM和NAND？
隨著科技的飛速發(fā)展，人們對電腦硬件的要求也越來越高?，F(xiàn)在，許多人想要替換掉他們電腦中的內(nèi)存和硬盤，因?yàn)樗鼈儾⒎亲钕冗M(jìn)的技術(shù)。它們要么在斷電時(shí)丟失數(shù)據(jù)，要么存儲(chǔ)速度較慢。
從目前來看，MRAM似乎是那個(gè)給內(nèi)存市場帶來驚喜的寵兒。因?yàn)镸RAM結(jié)合了SRAM的速度、DRAM的密度和閃存的非易失性。
不過，也要理性看待這項(xiàng)技術(shù)。
Rambus Labs高級(jí)副總裁 Gary Bronner 曾為此做過解釋：“如今幾種新興內(nèi)存技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以生產(chǎn) Mb 到 Gb 密度的水平，其中包括相變存儲(chǔ)器，例如 PCM 或 3D Xpoint、MRAM 和 ReRAM。然而，為了取代 DRAM，這些存儲(chǔ)器需要具有與 DRAM 相似的性能，但成本要更高。目前還沒有一種新興存儲(chǔ)器能夠證明取代 DRAM 所需的成本和性能。MRAM正在尋找嵌入式閃存的替代品，其中 MRAM 是性能更高、成本更高的選擇?！?/p>
總體來說，MRAM距離技術(shù)成熟還有一定距離，同時(shí)還未凸顯成本優(yōu)勢，加之其它新型存儲(chǔ)技術(shù)也在發(fā)展之中，只能說MRAM是現(xiàn)在最有希望的那一個(gè)，至于全面取代DRAM或者NAND，MRAM還有很長的路要走。