MRAM：RAM和NAND再遇強(qiáng)敵

M 是一種非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，通過磁致電阻的變化來表示二進(jìn)制中的 0 和 1，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。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(yuǎn)低于 DRAM。

被大廠看好的未來之星，非它莫屬。

三星：新里程碑

目前三星仍然是全球?qū)＠谝唬?002 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(duì) 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(diào)。2014 年，三星與意法半導(dǎo)體簽訂 28nmFD-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 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(tái)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(huì)議 IEEE 國際電子器件會(huì)議 (IEDM) 上發(fā)表了一篇題為"面向非易失性 RAM 應(yīng)用的全球最節(jié)能 MRAM 技術(shù)"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(diǎn)的面向非易失性 RAM 的產(chǎn)品技術(shù)。作為對(duì)該論文所分享的杰出研究和突破性成果的認(rèn)可，該論文被選為 IEDM 存儲(chǔ)器類別的亮點(diǎn)論文。憑借這一認(rèn)可，三星達(dá)到了一個(gè)新的里程碑。

具體而言，增強(qiáng)型磁隧道結(jié)（MTJ）堆棧工藝技術(shù)大幅降低了寫入錯(cuò)誤率（WER）。此外，MTJ 還從以前的 28 納米節(jié)點(diǎn)提升到 14 納米 FinFET 工藝，實(shí)現(xiàn)了 33% 的面積縮放。這種芯片級(jí)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(shí)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(gè)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(dòng)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(guān)效率提高和 MTJ 擴(kuò)展。開關(guān)效率是衡量 eMRAM 性能的關(guān)鍵指標(biāo)。例如在 8Mb 陣列上重復(fù)進(jìn)行的單位 WER 測試結(jié)果表明，芯片中的 WER 分布降低了 20%。通過應(yīng)用 MTJ 堆棧工程，可以驗(yàn)證 WER 達(dá)到個(gè)位數(shù) ppb5 水平。

eMRAM 的第二大成就是改進(jìn)了 MTJ 擴(kuò)展。在 eMRAM 架構(gòu)中，由于開關(guān)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(gè)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(huì)下降。在創(chuàng)新和獨(dú)創(chuàng)性方面，三星的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)隧道勢壘工藝進(jìn)行了重大改進(jìn)，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(shí)還確保了 MTJ 尺寸控制所需的足夠制造余量。

三星目標(biāo)是到 2026 年實(shí)現(xiàn) 8 納米制程，到 2027 年實(shí)現(xiàn) 5 納米制程。

MTJ 在后端（BEOL）金屬布線工藝之間形成，不會(huì)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(diǎn)。利用這一優(yōu)勢，三星正在從 28 納米 eMRAM 技術(shù)升級(jí)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(biāo)準(zhǔn)（汽車半導(dǎo)體可靠性測試的全球標(biāo)準(zhǔn)）。目標(biāo)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(gè) 5 納米 eMRAM 的計(jì)劃。除了到 2024 年推出 14 納米 eMRAM 之外，該公司還計(jì)劃到 2026 年和 2027 年分別推出 8 納米和 5 納米 eMRAM，進(jìn)一步擴(kuò)大其 eMRAM 產(chǎn)品組合。與 14 納米工藝相比，8 納米 eMRAM 的密度預(yù)計(jì)將提高 30%，速度提高 33%。

這項(xiàng)內(nèi)存技術(shù)有望引領(lǐng)電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車時(shí)代的到來。

英特爾：自主研發(fā)

在過去幾年里，包括臺(tái)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(bào)告顯示，英特爾自主研發(fā)的商用 MRAM(磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器) 已經(jīng)做好大批量生產(chǎn)的準(zhǔn)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(shù)可在 200 攝氏度下實(shí)現(xiàn)長達(dá) 10 年的記憶期，并可在超過 100 萬個(gè)開關(guān)周期內(nèi)實(shí)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(dòng)設(shè)備上，例如物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 之類的設(shè)備商應(yīng)用，通海還能搭上 5G 世代的列車?！?/p>

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(yán)重依賴 SRAM 技術(shù)來高速訪問常用數(shù)據(jù)。SRAM 無處不在：可能每個(gè) SoC、ASSP 和處理器都使用 SRAM，并且對(duì)于許多設(shè)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(jià)的。與大多數(shù)其他類型的存儲(chǔ)器相比，SRAM 存儲(chǔ)器非常大：對(duì)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(gè)弱點(diǎn)是漏電，這會(huì)導(dǎo)致待機(jī)功耗。對(duì)于電池供電的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備來說，高待機(jī)功耗可能是一個(gè)大問題，因?yàn)樵S多設(shè)備大部分時(shí)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(huì)受到嚴(yán)重影響?？紤]到這一點(diǎn)，SRAM 的性能是以高昂的成本為代價(jià)的。

此外，使用 SRAM 的嵌入式系統(tǒng)必須在系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)所有持久數(shù)據(jù)。代碼和用于在啟動(dòng)時(shí)配置或個(gè)性化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也需要存儲(chǔ)。閃存非易失性存儲(chǔ)器 (NVM) 傳統(tǒng)上擔(dān)任此角色，但閃存技術(shù)具有顯著的寫入、讀取和擦除限制，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

多年來，半導(dǎo)體行業(yè)一直在努力尋找一種可以取代 SRAM 并消除對(duì) NVM 需求的存儲(chǔ)技術(shù)；然而，直到最近，還沒有找到合適的替代內(nèi)存技術(shù)。許多候選人來了又走，受到費(fèi)用、復(fù)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(shù)即將在 SRAM 上取得進(jìn)展：MRAM。

MRAM，即磁阻 RAM，是一種新興的持久性存儲(chǔ)器技術(shù)，已實(shí)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(diǎn)：

• 與 SRAM 一樣，它是可字節(jié)尋址的，但與 NVM 不同。

• 性能與 SRAM 相當(dāng)，遠(yuǎn)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(jí)。

• MRAM 沒有與 NVM 相關(guān)的復(fù)雜缺點(diǎn)，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(gè)關(guān)鍵特性：成本、漏電流、非易失性和抗輻射性?？紤]到這四個(gè)因素，MRAM 抓住了 SRAM 和 NVM 技術(shù)的最佳特性，同時(shí)避免了很多缺點(diǎn)。

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?qū)I(yè)內(nèi)存供應(yīng)商提供 SRAM 塊，而代工廠會(huì)嚴(yán)格優(yōu)化其 SRAM 位單元，將其視為關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)。不根據(jù)所需的整體性能，而是特別根據(jù)該節(jié)點(diǎn)可用的 SRAM 技術(shù)來選擇技術(shù)節(jié)點(diǎn)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(jìn)的節(jié)點(diǎn)（特別是不跨節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展的電路，例如模擬或高壓電路），那么芯片成本可能會(huì)大幅上升。顯示驅(qū)動(dòng)器 IC 是這種現(xiàn)象的一個(gè)典型例子。

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

隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步，SRAM 的大小問題越來越突出。

相比之下，MRAM 在其存儲(chǔ)單元中使用單個(gè)晶體管。該晶體管與提供存儲(chǔ)的磁阻結(jié)構(gòu)相結(jié)合，因此存儲(chǔ)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(chǔ)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(guān)系在更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)上會(huì)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(diǎn)上甚至可能更小。

此特性的關(guān)鍵是磁阻元件，稱為磁隧道結(jié)（或 MTJ）。與 SRAM（純 CMOS）相比，它需要三個(gè)額外的處理步驟。這就形成了一種微妙的成本動(dòng)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(duì)于大量使用 SRAM 的設(shè)計(jì)，以至于用 MRAM 替換 SRAM 會(huì)導(dǎo)致顯著降低模具成本。

未來：MRAM 塑造人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的未來

由于物理極限，半導(dǎo)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(shù)的 MRAM 則擁有很多發(fā)展空間。除了英特爾，臺(tái)積電在去年也傳出有一重啟 MRAM 產(chǎn)品的研發(fā)計(jì)劃。

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)，包括基于電荷存儲(chǔ)原理的傳統(tǒng)存儲(chǔ)器和基于電阻存儲(chǔ)原理的新型存儲(chǔ)器。傳統(tǒng)存儲(chǔ)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(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。

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(chǔ)容量則會(huì)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(dá)到 17.8 億美元?，F(xiàn)在已經(jīng)較為成熟的 eMRAM 在 2026 年市場規(guī)模將達(dá)到約 17 億美元，相當(dāng)于整個(gè)新興 eNVM 市場的 76% 左右。

MRAM 在工業(yè)應(yīng)用中也有廣闊的前景，分析師表示，工業(yè)應(yīng)用程序需要具有非?？斓膶懭肽芰?，且需要非易失性存儲(chǔ)，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(duì)比之下 MRAM 更為合適。

隨著汽車的電子化，對(duì)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(yīng)用程序中這種市場需求的非易失性存儲(chǔ)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?yàn)樗c現(xiàn)有 CMOS 兼容邏輯工藝技術(shù)，并且對(duì)額外掩模層的需求更小。