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新一代记忆体发威 MRAM开启下一波储存浪潮
发挥高度灵活性

【作者: 王岫晨】2019年09月24日 星期二

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目前有数家晶片制造商,正致力於开发名为STT-MRAM的新一代记忆体技术,然而这项技术仍存在其制造和测试等面向存在着诸多挑战。STT-MRAM(又称自旋转移转矩MRAM技术)具有在单一元件中,结合数种常规记忆体的特性而获得市场重视。在多年来的发展中发现,STT-MRAM具备了SRAM的速度与快闪记忆体的稳定性与耐久性。STT-MRAM是透过电子自旋的磁性特性,在晶片中提供非挥发性储存的功能。


STT-MRAM受市场关注

尽管,STT-MRAM这项技术看起来虽然有其优势,却也高度复杂,这就是为什麽它的发展历程比预期的时间还更长。包括三星、台积电、英特尔、GlobalFoundries 等,都正在持续开发STT-MRAM技术。尽管如此,晶片制造商在其晶圆设备上面临到一些挑战,例如必须改进现有的生产设备,并将其升级到支援28nm或22nm甚至更新的奈米制程。



图一 : MRAM结构图
图一 : MRAM结构图

此外,在生产过程中,测试也将发挥关键的作用。STT-MRAM需要新的测试设备,用於测试其磁场状况。除此之外,还包括在生产流程中的不同位置,例如晶圆厂中的生产阶段、测试平台、或者後测试等,都需要更为严格的检测流程。


即便如此,挑战仍然存在。当MRAM晶片在强磁场中运作时,MRAM测试就会产生新的状况。在非磁性的储存设备中,不必担心这一点。然而对於MRAM来说,环境中的磁场就成了一个新的考量因素。通常,在操作期间需要利用强磁场来干扰STT-MRAM,这是需要经过验证并加以解决的问题。产业界目前正密切关注STT-MRAM,因为该储存技术已经开始被嵌入式领域的客户用於产品设计阶段的导入。


STT-MRAM不止能够高速运行,其特色在於即使电源关闭了也能保留数据,并且功耗也非常低。由於这些特性,使得STT-MRAM十分适合应用於嵌入式记忆体市场,而包括PC、行动设备等储存装置,也都十分关注STT-MRAM的发展脚步。


更高密度与更低功耗

STT-MRAM与常规元件(Toggle MRAM)相比,STT-MRAM可实现更高的密度、更少的功耗,和更低的成本。一般来说,STT-MRAM优於Toggle MRAM的主要特点,在於能够扩展STT-MRAM晶片,以更低的成本来实现更高的密度。正因为STT-MRAM是一种高性能的记忆体,足以挑战现有的DRAM和SRAM等,因此非常有可能成为未来重要的记忆体技术。预计STT-MRAM可以扩展至10nm以下制程,并挑战快闪记忆体的更低成本。



图二 : STT-MRAM架构说明
图二 : STT-MRAM架构说明

STT代表的是自旋转移力矩式结构。在STT-MRAM元件中,使用自旋极化电流来翻转电子的自旋结构。这种效应可在磁性穿遂接面(MTJ)或自旋阀中来实现,STT-MRAM元件使用的是STT-MTJ,透过使电流通过薄磁层产生自旋极化电流。然後将该电流导入较薄的磁层,经由该磁层将角动量传递给薄磁层,进而改变其旋转。


专家预言,MRAM将带来下一波的储存浪潮。MRAM的特性,包括低功耗以及持久性等,使其在许多应用上拥有极高灵活性。

一般常规STT-MRAM结构使用平面MTJ(或称为iMTJ)。有些STT-MRAM元件则使用称为垂直MTJ(pMTJ)的最隹化结构,这种结构中磁矩垂直於矽基板的表面。与iMTJ STT-MRAM相较之下,垂直STT-MRAM不仅更具可扩展性,并且也更具有成本竞争力。因此,pMTJ结构的STT-MRAM将是未来替代DRAM和其他储存技术的更隹方案。


瞄准嵌入式记忆体市场

MRAM具有旋转的特性,电子的旋转透过施加的电流来改变其方向,其方向变化的时间具有量子特性,这取决於旋转的角度而定。STT-MRAM也容易出现变化,这可能会导致一些可靠性问题。STT-MRAM面临的最大挑战是所谓的读取干扰。另一个问题在於制程。今天业界正在开发28nm或22nm的MRAM。STT-MRAM技术可以从2xnm节点扩展到1xnm节点,这点是毫无疑问的。然而是否可以持续扩展到7nm或者5nm,则还有待观察。


尽管如此,STT-MRAM的发展脚步毫无减缓的迹象,并瞄准两大应用领域,分别是嵌入式记忆体和独立记忆体。目前有些厂商专注於发展嵌入式MRAM。举个例子来说明其重要性,通常微控制器(MCU)会在同一晶片上整合多种元件,例如运算单元、SRAM和嵌入式快闪记忆体。而这种嵌入式快闪记忆体具备NOR的非挥发特性,这种NOR快闪记忆体通常都用来作为程式代码的储存用途。


目前业界已推出采用嵌入式NOR快闪记忆体的28奈米MCU产品,至於研发阶段的已有厂商开始采用16nm或14nm的晶片。然而有些专家认为要在28nm以下制程范围来扩展嵌入式NOR快闪记忆体有其困难,许多人认为28nm或22nm将成为这种快闪记忆体的极限,原因在於过高的成本将限制其市场接受度。


而这就是嵌入式STT-MRAM适用的地方。它适用於取代28nm或22nm甚至以上的嵌入式NOR快闪记忆体。除了这个优点之外,STT-MRAM还可以替代或增强MCU、微处理器或SoC系统中的SRAM。


新一波的储存浪潮来袭

根据调查指出,包括车用市场以及物联网等市场,都是MRAM成长动能最高的领域。许多专家都预言,MRAM将带来下一波的储存浪潮。MRAM的特性,包括低功耗以及持久性等,都是使得MRAM在许多应用上拥有极高灵活性的主要原因。举个例子来看,MRAM可用於极低功耗的设计,例如穿戴式设备上,或者RFID的应用(如智慧标签或追踪器等),另外包括边际运算和云端应用等,也都能够满足其性能上的需求。另一个例子则是资料中心,因为耗电量是在资料中心整体运营成本中,占有最高的比重。



图三 : MRAM被视为是最适合用於机器学习的储存技术。
图三 : MRAM被视为是最适合用於机器学习的储存技术。

目前MRAM有三个主要的应用市场,一个是用来作为嵌入式记忆体,MRAM的特性非常适合用来作为嵌入式记忆体,特别是在嵌入或整合在MCU中。此外,高密度的MRAM则适用於来作为系统暂存记忆体、加速NAND快闪记忆体,或者作为SRAM应用的替代品。在未来,MRAM甚至很可能用来取代DRAM。MRAM很适合用来作为企业客户的关键型任务应用程序,其中可针对包括功率损耗和档案遗失等问题加以解决,因为这些问题一旦发生都可能严重影响客户端的使用状况。


而MRAM和其他的下一代记忆体,也都被视为是最适合用於机器学习的储存技术。在今天,机器学习系统多半使用的是传统的记忆体,这对於功率的消耗非常严重。根据研究指出,机器学习过程,很大一部分的功率是消耗在简单的数据移动过程中,而不是实际的运算功能。针对机器学习的过程,任何性能的提升,都有助於改善机器学习的能力。因此,与现有的DRAM产品相较之下,任何功耗的降低,和技术的持久稳定性,都将有助於提升机器学习的整体效能。


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