MRAM：RAM和NAND再遇強敵

作者：米樂

MRAM是一種非易失性存儲技術，通過磁致電阻的變化來表示二進制中的0和1，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。由于產(chǎn)品本身具備非易失性，讓其在斷電情況下依然可以保留數(shù)據(jù)信息，并擁有不遜色于DRAM內(nèi)存的容量密度和使用壽命，平均能耗也遠低于DRAM。

被大廠看好的未來之星，非它莫屬。

?01、三星：新里程碑

目前三星仍然是全球專利第一，2002年三星宣布研發(fā)MRAM，2005年三星率先研究STT-MRAM，但是此后的十年間，三星對MRAM的研發(fā)一直不溫不火，成本和工藝的限制，讓三星的MRAM研發(fā)逐漸走向低調。2014年，三星與意法半導體簽訂28nmFD-SOI技術（一種與FinFET齊名的技術）多資源制造全方位合作協(xié)議，授權三星在芯片量產(chǎn)中利用意法半導體的FD-SOI技術。當年，三星成功生產(chǎn)出8MbeMRAM，并利用28nmFDS，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，以及由臺積電采用22nm超低漏電制程(ULL)制造的Ambiq低功耗MCU。

2022年12月，三星在著名的微電子和納米電子會議IEEE國際電子器件會議(IEDM)上發(fā)表了一篇題為"面向非易失性RAM應用的全球最節(jié)能MRAM技術"的論文。該論文介紹了基于三星28納米和14納米邏輯工藝節(jié)點的面向非易失性RAM的產(chǎn)品技術。作為對該論文所分享的杰出研究和突破性成果的認可，該論文被選為IEDM存儲器類別的亮點論文。憑借這一認可，三星達到了一個新的里程碑。

具體而言，增強型磁隧道結（MTJ）堆棧工藝技術大幅降低了寫入錯誤率（WER）。此外，MTJ還從以前的28納米節(jié)點提升到14納米FinFET工藝，實現(xiàn)了33%的面積縮放。這種芯片級尺寸允許在同一晶圓上生產(chǎn)更多芯片，從而產(chǎn)生更多的凈芯片。此外，它還使讀取周期時間縮短了2.6倍，16Mb的封裝尺寸也縮小到了30平方毫米，是目前業(yè)界最小的商用尺寸。該解決方案在-25°C溫度條件下可提供超過1E142個周期的近乎無限的耐用性。不過，最重要的成就可能還是同類最佳的能效，在54MB/s帶寬條件下，主動讀取和寫入功耗分別為14mW和27mW。

三星電子eMRAM的兩大新成就是開關效率提高和MTJ擴展。開關效率是衡量eMRAM性能的關鍵指標。例如在8Mb陣列上重復進行的單位WER測試結果表明，芯片中的WER分布降低了20%。通過應用MTJ堆棧工程，可以驗證WER達到個位數(shù)ppb5水平。

eMRAM的第二大成就是改進了MTJ擴展。在eMRAM架構中，由于開關電流與MTJ位面積成正比，因此有必要減小MTJ的尺寸，以降低每個位的寫入能量。然而，在MTJ縮放過程中，由于單元電阻的增加和變化，耐久性和讀取裕度都會下降。在創(chuàng)新和獨創(chuàng)性方面，三星的研究團隊對隧道勢壘工藝進行了重大改進，將電阻面積減少了25%，短故障率降低了2.75倍。與閃存型eMRAM相比，通過將MTJ的尺寸縮小25%，降低了NVM型eMRAM的有源寫入電流，同時還確保了MTJ尺寸控制所需的足夠制造余量。

三星目標是到2026年實現(xiàn)8納米制程，到2027年實現(xiàn)5納米制程。

MTJ在后端（BEOL）金屬布線工藝之間形成，不會影響邏輯基線，從而使MRAM能夠在MTJ工藝變化最小的情況下縮減到FinFET節(jié)點。利用這一優(yōu)勢，三星正在從28納米eMRAM技術升級到14納米FinFET工藝。這種14納米eMRAM目前正在開發(fā)中，符合AEC-Q1007Grade1標準（汽車半導體可靠性測試的全球標準）。目標是在2024年之前完成開發(fā)。

此前三星披露了其開發(fā)業(yè)界首個5納米eMRAM的計劃。除了到2024年推出14納米eMRAM之外，該公司還計劃到2026年和2027年分別推出8納米和5納米eMRAM，進一步擴大其eMRAM產(chǎn)品組合。與14納米工藝相比，8納米eMRAM的密度預計將提高30%，速度提高33%。

這項內(nèi)存技術有望引領電動汽車和自動駕駛汽車時代的到來。

?02、英特爾：自主研發(fā)

在過去幾年里，包括臺積電、英特爾、三星、SK海力士等晶圓代工廠和IDM，相繼大力投入MRAM研發(fā)。

EETimes發(fā)布一份報告顯示，英特爾自主研發(fā)的商用MRAM(磁阻隨機存取存儲器)已經(jīng)做好大批量生產(chǎn)的準備。提交這篇論文的英特爾工程師Ligiong Wei表示：“英特爾嵌入式MRAM技術可在200攝氏度下實現(xiàn)長達10年的記憶期，并可在超過100萬個開關周期內(nèi)實現(xiàn)持久性。由于具有省電的特性，英特爾的嵌入式MRAM很有可能率先用在移動設備上，例如物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 之類的設備商應用，通海還能搭上5G世代的列車?！?/p>

03、優(yōu)勢

成本更低、能耗更低、非揮發(fā)性且抗輻射

片上系統(tǒng)(SoC)嚴重依賴SRAM技術來高速訪問常用數(shù)據(jù)。SRAM無處不在：可能每個SoC、ASSP和處理器都使用SRAM，并且對于許多設備（尤其是處理器）來說，大部分芯片總面積可能被SRAM占據(jù)。

性能是SRAM的主要優(yōu)勢，但它是以犧牲芯片面積和功耗為代價的。與大多數(shù)其他類型的存儲器相比，SRAM存儲器非常大：對于相同的位數(shù)，SRAM比DRAM大20-30倍，可能比閃存大100倍以上。SRAM的速度、靈活性以及與CMOS工藝的輕松集成帶來了顯著的芯片成本損失。

SRAM的另一個弱點是漏電，這會導致待機功耗。對于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備來說，高待機功耗可能是一個大問題，因為許多設備大部分時間都處于閑置狀態(tài)。如果電池在閑置期間耗盡，電池壽命就會受到嚴重影響。考慮到這一點，SRAM的性能是以高昂的成本為代價的。

此外，使用SRAM的嵌入式系統(tǒng)必須在系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)時存儲所有持久數(shù)據(jù)。代碼和用于在啟動時配置或個性化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也需要存儲。閃存非易失性存儲器(NVM)傳統(tǒng)上擔任此角色，但閃存技術具有顯著的寫入、讀取和擦除限制，增加了系統(tǒng)的復雜性。

多年來，半導體行業(yè)一直在努力尋找一種可以取代SRAM并消除對NVM需求的存儲技術；然而，直到最近，還沒有找到合適的替代內(nèi)存技術。許多候選人來了又走，受到費用、復雜性或許多其他問題的困擾，使他們不適合商業(yè)生產(chǎn)。然而，一種這樣的替代技術即將在SRAM上取得進展：MRAM。

MRAM，即磁阻RAM，是一種新興的持久性存儲器技術，已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。與SRAM和傳統(tǒng)NVM相比，它具有以下主要優(yōu)點：

與SRAM一樣，它是可字節(jié)尋址的，但與NVM不同。

性能與SRAM相當，遠高于NVM。

MRAM的耐用性可以與SRAM相匹配，而SRAM的耐用性比NVM高出許多數(shù)量級。

MRAM沒有與NVM相關的復雜缺點，例如扇區(qū)擦除和磨損均衡。

雖然這些特性使MRAM與SRAM更加接近，但MRAM與SRAM之間有四個關鍵特性：成本、漏電流、非易失性和抗輻射性?？紤]到這四個因素，MRAM抓住了SRAM和NVM技術的最佳特性，同時避免了很多缺點。

成本不到SRAM的一半

MRAM塊的大小約為等效SRAM塊的三分之一。

無晶圓廠公司通常依賴其代工廠或專業(yè)內(nèi)存供應商提供SRAM塊，而代工廠會嚴格優(yōu)化其SRAM位單元，將其視為關鍵知識產(chǎn)權。不根據(jù)所需的整體性能，而是特別根據(jù)該節(jié)點可用的SRAM技術來選擇技術節(jié)點的情況并不罕見。如果SRAM要求規(guī)定了比電路其余部分要求更激進的節(jié)點（特別是不跨節(jié)點擴展的電路，例如模擬或高壓電路），那么芯片成本可能會大幅上升。顯示驅動器IC是這種現(xiàn)象的一個典型例子。

SRAM的主要問題是位單元的大小——即使代工廠對其進行了高度優(yōu)化。SRAM位單元使用六到八個晶體管。甚至還有所謂的“非易失性SRAM”單元需要12個晶體管，這使得它們超出了任何不惜任何代價對持久性有強烈需求的應用的成本范圍。

隨著技術節(jié)點的進步，SRAM的大小問題越來越突出。

相比之下，MRAM在其存儲單元中使用單個晶體管。該晶體管與提供存儲的磁阻結構相結合，因此存儲器陣列內(nèi)不需要其他支持晶體管。因此，包括外圍電路在內(nèi)的完整MRAM存儲塊的大小約為等效SRAM塊的三分之一，或者小三分之二。這種關系在更先進的節(jié)點上會變得更加明顯——也就是說，MRAM的大小可能是SRAM的四分之一，在10納米或更小的節(jié)點上甚至可能更小。

此特性的關鍵是磁阻元件，稱為磁隧道結（或MTJ）。與SRAM（純CMOS）相比，它需要三個額外的處理步驟。這就形成了一種微妙的成本動態(tài)：這些額外的步驟使整體晶圓成本增加了5-11%，但芯片尺寸的節(jié)省卻非?？捎^，特別是對于大量使用SRAM的設計，以至于用MRAM替換SRAM會導致顯著降低模具成本。

?04、未來：MRAM塑造人工智能和機器學習的未來

由于物理極限，半導體的制程微縮已經(jīng)漸至瓶頸，經(jīng)過多年發(fā)展的DRAM內(nèi)存和NAND閃存已經(jīng)難有潛力再挖。作為新興技術的MRAM則擁有很多發(fā)展空間。除了英特爾，臺積電在去年也傳出有一重啟MRAM產(chǎn)品的研發(fā)計劃。

到目前為止，多種存儲器介質被研究用于構建存算一體系統(tǒng)，包括基于電荷存儲原理的傳統(tǒng)存儲器和基于電阻存儲原理的新型存儲器。傳統(tǒng)存儲器主要包括SRAM、DRAM和Flash。其中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，浮柵氧化層會逐漸失效，反復讀寫可靠性很低。因此，各種基于電阻改變的新型存儲器是實現(xiàn)存算一體的有效載體。

YoleDevelopment分析稱，到2024年，MRAM的市場規(guī)模將增加40倍，制造工藝將減少到16nm，存儲容量則會從1Gbit增加到8Gbit。2018年至2024年間，MRAM市場規(guī)模將以年均85％的速度增長，到2024年將達到17.8億美元。現(xiàn)在已經(jīng)較為成熟的eMRAM在2026年市場規(guī)模將達到約17億美元，相當于整個新興eNVM市場的76%左右。

MRAM在工業(yè)應用中也有廣闊的前景，分析師表示，工業(yè)應用程序需要具有非?？斓膶懭肽芰?，且需要非易失性存儲，但NAND閃存、NOR閃存和EEPROM的寫入速度都非常慢，并且消耗大量電力，而額外搭配電池的SRAM，每隔幾年就需要更換電池，對比之下MRAM更為合適。

隨著汽車的電子化，對滿足汽車惡劣駕駛環(huán)境、快速耐用的非易失性解決方案的需求正在逐漸增加。MRAM具有近乎無限的耐久性及高可靠性，是能夠滿足電子應用程序中這種市場需求的非易失性存儲器，最為理想。2022年，瑞薩電子宣布推出STT-MRAM測試芯片，其表示，與采用FEOL制造的閃存相比，在22nm以下工藝中，采用BEOL制造的MRAM具有優(yōu)勢，因為它與現(xiàn)有CMOS兼容邏輯工藝技術，并且對額外掩模層的需求更小。