巨頭押注，MRAM開始爆發(fā)

作者：豐寧

存儲技術發(fā)展更迭50年，逐漸形成了SRAM、DRAM及Flash這三大主要領域。但是隨著半導體制造技術持續(xù)朝更小的技術節(jié)點邁進，傳統(tǒng)的DRAM和NAND Flash開始面臨越來越嚴峻的微縮挑戰(zhàn)；再加上由于這些存儲技術與邏輯計算單元之間發(fā)展速度的失配，嚴重制約了計算性能和能效的進一步提升。

因此，業(yè)界開始對新型存儲技術寄予厚望，越來越多的新型技術迅速涌現(xiàn)。

目前主流的新型存儲器主要包括四種：阻變存儲器（ReRAM/RRAM），相變存儲器（PCRAM），鐵電存儲器（FeRAM/FRAM），磁性存儲器（MRAM）。其中MRAM正在成為當下主流的新型存儲技術，并且有專家預言，MRAM將帶來下一波的存儲浪潮。

MRAM的特點

MRAM是一種兼具DRAM和Flash特點的存儲介質(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消失，而是幾乎可以認為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無限次重寫。

寫入速度快、功耗低：MRAM的寫入時間可低至2.3ns，并且功耗極低，可實現(xiàn)瞬間開關機并能延長便攜機的電池使用時間。

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。

和其他存儲相比，MRAM強在哪兒？

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的設計更復雜，MRAM的密度更高，以及MRAM是非易失性的，而SRAM是易失性的，斷電就會丟失數(shù)據(jù)，MRAM則不會面臨這種困擾。

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，并具有承受無限多次讀寫循環(huán)的能力。

與ReRAM相比，ReRAM隨機讀寫速度優(yōu)于傳統(tǒng)存儲器，但要慢于MRAM和FRAM；同時ReRAM的讀寫次數(shù)約在100萬次左右，較傳統(tǒng)存儲器有數(shù)量級的增加，但少于MRAM的讀寫次數(shù)；其中密度和相應的成本是ReRAM的最大優(yōu)勢；從成本方面看，MRAM由于材料的復雜性、密度瓶頸、抗磁干擾等難點，其成本會較高。

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技術之一。

PCRAM 具有容量大、集成度高、速度快、功能低和成本低等優(yōu)點，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)模應用于計算機系統(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對。就目前來說，PCRAM的商業(yè)化程度還沒有MRAM高。

當然，MRAM也并非沒有缺點，它還面臨很多的挑戰(zhàn)，比如真實器件材料體系復雜、開關比低，CMOS工藝要完全匹配等。此外，MRAM的發(fā)展仍然遇到動態(tài)功耗、能量延遲效率和可靠性方面的瓶頸。

當下的 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器（L3 及以上）和內(nèi)存中非易失性計算的競爭者，這種存儲器變體使用自旋極化電流通過隧道結(jié)將磁化強度轉(zhuǎn)移到存儲器單元。因此，STT-MRAM 的能耗比通過感應電磁場進行記錄的傳統(tǒng) MRAM 存儲器的能耗低幾倍。

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二進制狀態(tài)之間更快的切換速度，因此具有更好的緩存應用前景。

?STT-MRAM (左) vs. SOT-MRAM (右)（來源：清華大學）

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工作時的開關延遲。2018年，imec首次展示了開關速度快至210ps的高可靠性SOT-MRAM，這種器件具有增強的耐久性(＞5×1010的開關周期)和300pJ的運行功耗。

芯片巨頭研究進程

目前臺積電、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。

臺積電SOT-MRAM技術問世，功耗僅為STT-MRAM的1%

早在2002年，臺積電就與中國臺灣地區(qū)工研院簽訂了MRAM合作發(fā)展計劃。2018年，臺積電進行了eMRAM芯片的“風險生產(chǎn)”，2019年生產(chǎn)采用22nm制程的eReRAM芯片。

在ISSCC 2020上，臺積電又發(fā)布了基于ULL 22nm CMOS工藝的32Mb嵌入式STT-MRAM。該技術基于臺積電的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個循環(huán)的寫入耐久性，對于1Mb數(shù)據(jù)，具有1M個循環(huán)的耐久性。它支持在260°C下進行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的擴展限制。之后臺積電又成功開發(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，臺積電還在積極探索SOT-MRAM和VC-MRAM，并與外部研究實驗室、財團和學術合作伙伴合作。

2022年6月，中國臺灣工研院與臺積電合作開發(fā)的低壓電流SOT-MRAM，具有高寫入效率和低寫入電壓的特點，其SOT-MRAM實現(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)存儲壽命。

就在近日（1月18日），臺積電攜手工研院宣布成功研發(fā)出自旋軌道轉(zhuǎn)矩磁性存儲器（SOT-MRAM）陣列芯片，標志著在下一代MRAM存儲器技術領域的重大突破。這一創(chuàng)新產(chǎn)品不僅采用了先進的運算架構(gòu)，而且其功耗僅為同類技術STT-MRAM的1%。

工研院與臺積電的合作使得SOT-MRAM在工作速度方面達到10ns，進一步提高了存內(nèi)運算性能，成功跳出了MRAM的傳統(tǒng)局限。這次SOT-MRAM的推出將進一步鞏固臺積電在存儲芯片領域的市場地位。

這一突破性技術的應用領域廣泛，特別適用于高性能計算、人工智能、車用芯片等領域。隨著AI、5G時代的到來，對更快、更低功耗的新一代存儲芯片的需求不斷增加，而SOT-MRAM正好迎合了這一趨勢，成為應對未來科技挑戰(zhàn)的重要利器。

三星發(fā)布業(yè)內(nèi)首個基于 MRAM的存內(nèi)計算芯片

三星幾乎與臺積電同時出手，2002 年三星宣布開始MRAM的開發(fā)計劃。2005年三星又率先開始了STT-MRAM的研發(fā)，該技術后來被證明可以滿足高性能計算領域?qū)ψ詈笠患壘彺娴男阅芤?，被認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技術齊名的FD-SOI，在以Leti、Soitec、意法半導體為代表的歐洲半導體科研機構(gòu)和公司相繼迎來技術突破，快速發(fā)展。

2014 年，三星與意法半導體簽訂 28nm FD-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(quán)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 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邏輯工藝平臺上實現(xiàn)了磁性隧道結(jié)堆疊的磁阻式隨機存取存儲器制造，據(jù)稱是目前世界上尺寸最小、功耗最低的非易失性存儲器；這一樣品數(shù)據(jù)寫入僅消耗每比特25pJ，讀取時有功功率要求為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)點的MRAM相比，讀取時間加快了2.6倍。該研究的目標之一是證明嵌入式MRAM作為高速緩存存儲器適用于依賴大型數(shù)據(jù)集和分析的應用程序，例如邊緣AI。

近日，三星電子在頂級學術期刊 Nature 上發(fā)表了全球首個基于MRAM的存內(nèi)計算研究。

存內(nèi)計算無需數(shù)據(jù)在存儲器和處理器間移動，大大降低了 AI 計算的功耗，被視作邊緣 AI 計算的一項前沿研究。雖然 MRAM 存儲器件具備耐用性、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器被用于存內(nèi)計算。本次，三星電子的研究團隊通過構(gòu)建新的 MRAM 陣列結(jié)構(gòu)，用基于 28nm CMOS 工藝的 MRAM 陣列芯片運行了手寫數(shù)字識別和人臉檢測等 AI 算法，準確率分別為 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的愿景，并計劃開發(fā)三星首款5納米eMRAM。除了到2024年推出14納米eMRAM外，公司還計劃進一步擴大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 技術的主要推動者，該公司采用的是基于 FinFET 技術的 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，當時，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，擴展至12 nm FinFET平臺，通過縮小制程有助于雙方進一步拉低1 Gb芯片成本。Everspin在數(shù)據(jù)中心、云存儲、能源、工業(yè)、汽車和運輸市場中部署了超過1.2億個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，將應用于航天等領域。

MRAM的主要應用市場

MRAM在邊緣方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。邊緣計算在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、機器人、可穿戴設備、人工智能、汽車以及便攜式設計等領域的應用正在不斷增長。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,但這些技術都需要在一個或多個領域進行權(quán)衡，這對于邊緣計算來說，它們似乎都不太適合。MRAM 將數(shù)據(jù)存儲在磁存儲單元中，提供真正的隨機訪問，并允許在內(nèi)存中隨機讀寫。

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，而這些恰恰都是邊緣計算非常需要的。此外，MRAM是實現(xiàn)存算一體的理想存儲器之一。到目前為止，多種存儲器介質(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。

MRAM則是基于對電子“自旋”的控制，可以達到理論上的零靜態(tài)功耗，同時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是實現(xiàn)存算一體的理想存儲器之一。

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，因為它們并非最先進的技術。它們要么在斷電時丟失數(shù)據(jù)，要么存儲速度較慢。

從目前來看，MRAM似乎是那個給內(nèi)存市場帶來驚喜的寵兒。因為MRAM結(jié)合了SRAM的速度、DRAM的密度和閃存的非易失性。

不過，也要理性看待這項技術。

Rambus Labs高級副總裁 Gary Bronner 曾為此做過解釋：“如今幾種新興內(nèi)存技術已經(jīng)發(fā)展到可以生產(chǎn) Mb 到 Gb 密度的水平，其中包括相變存儲器，例如 PCM 或 3D Xpoint、MRAM 和 ReRAM。然而，為了取代 DRAM，這些存儲器需要具有與 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距離技術成熟還有一定距離，同時還未凸顯成本優(yōu)勢，加之其它新型存儲技術也在發(fā)展之中，只能說MRAM是現(xiàn)在最有希望的那一個，至于全面取代DRAM或者NAND，MRAM還有很長的路要走。