芯耀
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烽煙起，存儲器大戰(zhàn)已迫在眉睫。要說參戰(zhàn)方有哪些？分別是 MRAM、PRAM、ReRAM。當(dāng)然，篇幅有限，今天與非網(wǎng)小編就挑出其中的一項技術(shù)來為大家細(xì)細(xì)解說。
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要說的就是最近引發(fā)大家關(guān)注的 MRAM 技術(shù)，在第 64 屆國際電子器件會議 (IEDM) 上，全球兩大半導(dǎo)體龍頭英特爾及三星就為此大打出手。他們展示了嵌入式 MRAM 在邏輯芯片制造工藝中的新技術(shù)。從上世紀(jì) 90 年代到現(xiàn)在，歷經(jīng)了數(shù)十年發(fā)展的 MRAM，被業(yè)界認(rèn)為是構(gòu)建下一代非易失性緩存和主存的潛在存取器件之一。
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MRAM 技術(shù)簡介
MRAM (Magnetic Random Access Memory，磁阻式隨機存取存儲)，是一種非易失性存儲技術(shù)，從 1990 年代開始發(fā)展。此技術(shù)速度接近靜態(tài)隨機存儲的高速讀取寫入能力，具有閃存的非揮發(fā)性，容量密度及使用壽命不輸 DRAM，但平均能耗遠(yuǎn)低于 DRAM，而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入。
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MRAM 的數(shù)據(jù)寫入方式有兩種：磁場寫入模式和全電流寫入模式。
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采用磁場寫入方式的磁性隨機存儲器
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前者主要利用了字線與位線在 MRAM 記錄單元上所產(chǎn)生的磁場，使 MRAM 的自由層在磁場的作用下實現(xiàn)與釘扎層平行和反平行方向的翻轉(zhuǎn)，以此來完成 0/1 數(shù)據(jù)的寫入。
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后者利用了自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)（spin transfer torque，STT），使寫入數(shù)據(jù)線直接通過 MRAM 記錄單元，利用自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)實現(xiàn)磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）自由層的翻轉(zhuǎn)。
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MRAM 芯片截面圖
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上圖為 EVERSPIN 公司生產(chǎn)的 MRAM 產(chǎn)品截面圖。MRAM 單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后段的金屬化過程增加制作 MTJ 需要的光刻掩模板的工藝即可。另外，因為 MRAM 單元可以完全制作在芯片的金屬層中，將 2-3 層單元疊放起來是可以實現(xiàn)的，這也就可以在邏輯電路上方構(gòu)造規(guī)模極大的內(nèi)存陣列。
各類存儲器的性能比較
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與其他存儲技術(shù)相比，MARM 在速度、面積、寫入次數(shù)和功耗方面能夠達(dá)到比較好的折中，因此被業(yè)界認(rèn)為是構(gòu)建下一代非易失性緩存和主存的潛在存取器件之一。
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MRAM 特點
我們來看看 MRAM 有哪些特性。
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首先看看 MRAM 有多快。
從上圖可以看出，MRAM（Spin Torque MRAM）的讀寫速度跟 DRAM 差不多。3D-Xpoint、PCM 等新型存儲介質(zhì)，在寫速度方面跟 MRAM 相差二三個數(shù)量級。所有新型存儲介質(zhì)中，MRAM 是唯一一個真正做到和 DRAM 一個級別訪問速度的介質(zhì)。
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從上圖我們還可以看到，MRAM 非常耐寫，1 后面跟了很多很多 0，可以認(rèn)為是長生不老。
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除此之外，MRAM 還具有很好的數(shù)據(jù)保持性和寬的工作溫度范圍。
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總結(jié)一下 MRAM 的特點：
基于閃存的 SSD，由于每個 block 壽命有限，因此 SSD 固件需要做磨損均衡（wear leveling）算法。MRAM 由于長生不老的特點，固件就無需實現(xiàn) wear leveling 了。
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閃存不能覆蓋寫（寫之前需擦除 block），因此 SSD 固件需要做垃圾回收。MRAM 可以原地更新，因此不存在垃圾回收之說。
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MRAM 的技術(shù)難點
第一,功耗大，寫入信息速度較慢。寫入信息時需要較大的電流產(chǎn)生磁場，使 MTJ 自由層磁矩發(fā)生反轉(zhuǎn)。大電流變化速度較慢，限制了存儲單元的寫入信息的速度。隨著存儲單元的尺寸減少，使自由層磁矩發(fā)生反轉(zhuǎn)所需的磁場越大，消耗的功率也越大。
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第二，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造費用增加。字線和位線帶有磁性外殼，使存儲單元的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，增加了制備工藝難度，且不易于 CMOS 進行集成，降低性價比。
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第三，存儲密度和存儲容量受限。這種寫入機制需要三端電流設(shè)計，在雙電流選擇寫入單元時，為保證寫入不影響其他單元，MRAM 設(shè)計記錄單元的間距不能太小，否則會出現(xiàn)緊鄰大單元間交叉影響，導(dǎo)致信息錯誤產(chǎn)生誤碼。
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那如今全球 MRAM 玩家有多少？他們又是如何入局的呢？接下來與非網(wǎng)小編就帶大家來看一下全球 MRAM 專利概況。
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全球 MRAM 專利概況
上文提到，MRAM 是一種非揮發(fā)性的磁性隨機存儲器技術(shù)，擁護者認(rèn)為，MRAM 技術(shù)速度接近 SRAM，具有快閃存儲器的非揮發(fā)性，容量密度及使用壽命不輸 DRAM，平均能耗遠(yuǎn)低于 DRAM，有望成為真正的通用型內(nèi)存 (Universal memory)。
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基于此，很多國家、地區(qū)的企業(yè)、個人都在申請 MRAM 相關(guān)專利。下圖，是 MRAM 相關(guān)專利技術(shù)的發(fā)展概況。
全球 MRAM 申請年度分布
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從圖中看出，從 1990 年全球開始研發(fā) MRAM 技術(shù)，1990~1997 年，MRAM 專利申請少，技術(shù)處于萌發(fā)期。1998 開始，從年申請量 74 不斷增加，僅過 5 年，2002 年申請量即突破 1000 件大關(guān)，說明 1998~2002 年 MRAM 技術(shù)取到突破，技術(shù)處于快速增長期。2003 年全球 MRAM 專利申請達(dá)到 1513 件后，稍有下滑并進入平穩(wěn)增長過程，說明 2003 年以后 MRAM 技術(shù)處于穩(wěn)定發(fā)展期，處于不斷的探索改進階段，有待于取得新的突破性進展。
全球 MRAM 專利申請人及其申請量分布
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主要申請人中排名前 20 的申請人有 TOSHIBA (東芝)、SAMSUNG ELECTRONICS (三星電子)、SONY (索尼)、ＩＢＭ、RENESAS ELECTRONICS (瑞薩電子)、SK Hynix (SK 海力士)、QUALCOMM (高通)、NEC (日本電氣)、INFINEON TECHNOLOGIES (英飛凌科技)、HEWLETT-PACKARD (惠普)、TDK、MICRON TECHNOLOGY (美光科技)、TSMC (臺積電)、EVERSPIN TECHNOLOGY (艾爾斯賓科技公司)、 FREESCALE SEMICONDUCTOR (飛思卡爾半導(dǎo)體)、HEADY TECH (海德威科技公司)、SEAGATE TECHNOLOGY (希捷科技)、CANON ANELVA (佳能安內(nèi)華) 、MOTOROLA (摩托羅拉)、CROCUS TECHNOLOGY (科羅庫斯科技)。
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其中，以 TOSHIBA (東芝)的申請量最大，是第二名 SAMSUNG ELECTRONICS (三星電子)的差不多兩倍，占總申請量的 11%，前 5 占總申請量的 30%將近 1/3,前 10 占總申請量的 47%將近一半，前 20 占總申請量的 62%，將近 2/3，從以上前 20 申請人可以知道，主要申請人主要來自于日本，其次為美國，然后為韓國和中國臺灣。
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全球 MRAM 產(chǎn)業(yè)公司
當(dāng)前，國際上有超過 20 家美、日、韓、中國臺灣等國家和地區(qū)的公司致力于研發(fā) MRAM 產(chǎn)品。其中，起到推動作用的公司有 IBM、Eversipin 和以 Samsung 為代表的半導(dǎo)體公司。其中，IBM 是 MRAM 的先驅(qū)和主要推動者。
MRAM 產(chǎn)業(yè)主要公司
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早在 20 年前，IBM 的實驗室就率先開展 MRAM 的研發(fā)工作，并在第一代 astroid-MRAM 和第二代 STT-MRAM 的研發(fā)中取得了多項突破，為 MRAM 的發(fā)展做出了巨大的貢獻；Everspin 是目前市場上唯一一家能夠大批量提供商用 MRAM 產(chǎn)品的上市公司，其繼承并發(fā)展了 Freescale 的 MRAM 技術(shù)。Everspin 能夠提供的 MRAM 芯片容量從 128Kb 到 256Mb，這些存儲芯片主要的應(yīng)用領(lǐng)域集中在工業(yè)、航空航天、車用、能源與物聯(lián)網(wǎng)等。
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近年來，三星、格芯、臺積電等半導(dǎo)體制造大廠也在加速布局 STT-MRAM。它們的目標(biāo)是在近期內(nèi)開發(fā)出嵌入式 MRAM（eMRAM）產(chǎn)品，不同是三星和格芯的晶體管制備傾向于采用 FD-SOI 工藝，而 TSMC 則采用 FinFET 工藝。隨著 MRAM 制造技術(shù)不斷趨于成熟以及市場需求的不斷擴大，越來越多的公司進軍 MRAM 領(lǐng)域，這將加速 MRAM 的產(chǎn)業(yè)化進程。
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國內(nèi)的 MRAM 產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，整體實力薄弱，對全球 MRAM 的產(chǎn)業(yè)發(fā)展的貢獻較少。在器件制備方面，除了 2016 年兆易創(chuàng)新斥資 500 萬美元入股 Everspin 這一戰(zhàn)略投資以外，僅有零散的幾家初創(chuàng)公司（上海磁宇、浙江海康馳拓等）以及高校和科研院所（南京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科學(xué)物理所等）開展 MRAM 的研發(fā)工作；在制造設(shè)備研發(fā)方面，江蘇魯汶儀器研發(fā)出 8 英寸 MRAM 刻蝕設(shè)備，支持 28nm 工藝節(jié)點，能夠滿足大學(xué)、研究所等小線的生產(chǎn)。該設(shè)備近期已向中國臺灣工研院少量出貨。
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總體上，近 20 年來，在產(chǎn)業(yè)公司及科研機構(gòu)的推動下，MRAM 的發(fā)展主要歷了 astroid-MRAM、toggle-MRAM 以及 STT-MRM 等 3 個階段。受限于磁性隧道結(jié)架構(gòu)缺陷和制造能力，2010 年以前的 MRAM 的存儲容量較?。ǎ?4Mb）。2010 年以后，STT-MRAM 的設(shè)計和制造技術(shù)不斷趨于成熟，促進了 MRAM 的存儲容量不斷提升。STT-MRAM 已經(jīng)成為 MRAM 的主流技術(shù)路線。目前基垂直磁各向異性的磁隧道結(jié)的 STT-MRAM 的存儲容量已經(jīng)突破了 1Gb，有望在今后幾年實現(xiàn)更大規(guī)模的量產(chǎn)和更加廣泛的應(yīng)用。
MRAM 發(fā)展現(xiàn)狀
MRAM 不是只存在實驗室，Everspin 公司已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，包括 Toggle MRAM 和 STT-MRAM 產(chǎn)品。
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另外，GlobalFoundries 宣布了 MRAM 的產(chǎn)品計劃，三星與英特爾已悄然間將該技術(shù)商用化。
除此之外，還有其他一些公司也在開發(fā) MRAM 芯片，其中就有我們熟知的 IBM 和 Toshiba，以及不那么熟悉的 Avalanche Technologies, Spin Transfer Technologies，Crocus 等。
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2018 年主要供應(yīng)商 Everspin 營收可望年增 36%，2019~2020 年以后，隨 GlobalFoundries、臺積電、三星、聯(lián)電等晶圓代工廠商逐步投入嵌入式(embedded) MRAM 生產(chǎn)，有助強化嵌入式 MRAM 技術(shù)發(fā)展，有利開拓多元需求及帶動市場起飛。
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在商品化方面，目前 MRAM 已發(fā)展到第三代，具有非揮發(fā)性、讀寫速度快、能耗低、制程仍有持續(xù)微縮空間等優(yōu)點。就產(chǎn)品發(fā)展上，MRAM 可分為獨立式(stand-alone)及嵌入式兩大類，目前獨立式占 MRAM 市場規(guī)模達(dá) 95%以上。
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未來幾年 MRAM 市場成長速度以嵌入式應(yīng)用較為看好，主要想取代的產(chǎn)品是嵌入式 Flash 及 SRAM，尤以替代前者較為優(yōu)先。嵌入式 Flash 制程微縮已遇瓶頸，各廠商產(chǎn)品組合介于 40nm~35μm，相對地，MRAM 目前已可達(dá)到 22nm，且未來制程微縮仍有許多發(fā)展空間，時間站在對 MRAM 有利的一方。
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隨著車用及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)芯片需求已朝 40/28/22nm 發(fā)展，未來邊緣運算 AI 芯片也需更快速、耗電更低的嵌入式存儲器，預(yù)期嵌入式 MRAM 今后市場成長速度將優(yōu)于獨立式 MRAM，2023~2024 年產(chǎn)值可望超越獨立式 MRAM。
與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載！
