MRAM更近一步

1月13日，三星電子宣布展示世界上第一個基于MRAM（磁阻隨機存取存儲器）的內存計算，相關論文于1月12日在Nature發(fā)表。

存內計算給MRAM提供了新的思路，過去MRAM磁阻內存很難用于存內計算，因為MRAM在標準的存內計算架構中無法發(fā)揮低功耗優(yōu)勢。三星公司成功開發(fā)出新的 MRAM 陣列，通過新型“電阻”和計算架構，替換當前采用的架構。

MRAM有20多年的發(fā)展歷史，但是由于其電阻特性，商用之路極其緩慢，本次三星與哈佛大學的新研究可能解決了這一障礙，MRAM從此更近一步。

20年，MRAM默默生長

上世紀末，前沿半導體公司已經開始對MRAM的研究。1995年摩托羅拉（其芯片部門后獨立成為飛思卡爾半導體，飛思卡爾半導體在2015年被恩智浦收購）演示了第一個MRAM芯片，并生產出了1MB的芯片原型。2003年，IBM和英飛凌將磁存儲器元件集成到高性能邏輯基中，開發(fā)出當時 “最先進的MRAM”。

2007年， IBM和日本TDK合作開發(fā)新一代MRAM，使用自旋扭矩轉換(spin-torque-transfer , STT)的新型技術，利用放大的隧道效應，使得磁致電阻的變化提升一倍。在一枚郵票大小的芯片上做出了1GB內存，業(yè)界意識MRAM在達到DRAM的記錄密度的成百上千倍同時，速度比內存技術都要快。

也是在這一年，總部位于波士頓的公司Allied Minds正式成立了STT公司，以這項技術命名，該公司開始營運。2016年9月，STT開發(fā)出OST-MRAM技術并在加利福尼亞州總部的晶圓廠制作出20nm的垂直 MRAM 磁穿隧接面（pMTJ）。在STT生產出28nm pMTJ之前，Everspin是唯一一家出貨商用MRAM產品的公司。這家成立于2008年的美國公司由飛思卡爾半導體牽頭成立，主營MRAM。

在2008年之后的十年間，MRAM已經在通信、軍事、數碼產品上有了一定的應用。2008年，日本的衛(wèi)星系統(tǒng)就宣布使用了飛思卡爾的MRAM來替換其所有的閃存元件。MRAM開始商用用了十幾年的時間，Intel、格芯、ST意法半導體等公司相繼入局，都在MRAM的商用產品上有了自己的產品或技術。2018年的國際電子器件會議（IEDM）上，英特爾展示了嵌入式MRAM在邏輯芯片制造中的新技術。英特爾表示，其嵌入式 MRAM可在200℃下保持10年的記憶期，稱之為“首款基于FinFET的MRAM技術”。2019年，英特爾宣布其MRAM已經做好了量產準備，使用22nm FFL FinFET技藝，同年Everspin也宣布旗下的1G MRAM存儲芯片進入試生產階段。

說到MRAM，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，授權三星在芯片量產中利用意法半導體的FD-SOI技術。當年，三星成功生產出8Mb eMRAM，并利用28nm FDS，在2019年成功量產首款商用eMRAM。2020年，三星首批基于eMRAM的商用產品上市，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。

此前，IBM曾總結了MRAM的四大應用領域，其中最困難的尚未實現(xiàn)。四大應用中，MRAM最容易實現(xiàn)的是獨立內存，它已經存在并替換電池支持的SRAM和DRAM以及緩沖硬盤驅動器方面具有利基應用。第二應用領域是eMRAM，用于SoC。它取代了eNOR Flash，主要用于代碼存儲。接下來的兩個應用都以SRAM為目標，但方式不同。最終的應用是能夠用大量廉價的非易失性MRAM替換末級緩存。功耗較低但性能要求非常高。從2021年開始算仍需要幾年的時間。

市場多大？中國有何作為？

Yole Development分析稱，到2024年，MRAM的市場規(guī)模將增加40倍。2018年MRAM制造技術是40nm，而在2024年，Yole Development預測其制造工藝將減少到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?，F(xiàn)在已經較為成熟的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。

目前臺積電、聯(lián)電、三星、intel等公司同時在對RRAM和MRAM進行投資，eRRAM也將是MRAM強大的對手。根據Yole的統(tǒng)計，臺積電已透過嵌入式OxRAM豐富其40nm ULP11制程，目前以22nm制程生產OxRAM。Dialog Semiconductors授權格芯使用Adesto CBRAM技術，目前格芯正將其用于22nm FDSOI上實施，用于低功耗消費類應用。聯(lián)電正與松下合作開發(fā)28nm OxRAM，未來幾年或將瞄準進軍智能卡市場。

嵌入式NVM目前工藝。來源：Yole

中國半導體產業(yè)鏈的公司在MRAM上研究起步較晚， 其中Fabless企業(yè)亙存科技是國內少有的已經生產基于MRAM技術的創(chuàng)業(yè)公司。

2021年底，亙存科技完成了由深圳高新投正軒基金領投，正軒投資、百度風投、普華資本及陸石投資跟投的數千萬元 Pre-A 輪融資。本輪融資主要用于芯片優(yōu)化、迭代以及團隊擴充。亙存科技于2019年成立，在2020年完成企業(yè)供應鏈搭建開始接受訂單，目前，亙存科技產品主要基于STT-MRAM技術，亙存科技表示其正在開發(fā)已成功流片的一款芯片，首次集成了超過200 M，基于MRAM的近存、存內計算的在研項目也在進行中。

除亙存科技，杭州馳拓、上海磁宇、中芯國際、華為等公司也在籌建自旋芯片的研發(fā)、生產線。長江存儲、長鑫存儲、兆易創(chuàng)新自旋芯片仍處于前期研發(fā)階段，但目前沒有進入量產。作為半導體的技術大腦，國內大學和科研院所也在發(fā)力。2017年，北京航空航天大學與中國科學院微電子研究所聯(lián)合成功制備國內首個80nm STT-MRAM器件。

北航與中科院研發(fā)的STT-MRAM存儲芯片器件原理圖。

來源：中科院微電子所

中科院微電子所表示，其在國內首次采用可兼容CMOS工藝成功制備出直徑80nm磁隧道結，器件性能良好，其中器件核心參數包括隧穿磁阻效應達到92%，可實現(xiàn)純電流翻轉且電流密度達到國際領先水平。 

三星將MRAM用于存內計算的意義

MRAM被稱為是內存的下一次革命，從1M到1G，MRAM花了十幾年的時間，目前，MRAM仍未得到大范圍的商用落地。本次，三星將MRAM用于存內計算仍具有相當大的意義。

芯片布局與MRAM陣列排布。來源：nature

存內計算是上個世紀90年代發(fā)展起來的。內存計算可以從本質上消除不必要的數據搬運延遲和功耗，AI運算可以得到巨量提升。上文說到MRAM電阻較小，本次三星創(chuàng)新使用電阻加和，降低了支路上的電流，解決了MRAM器件電阻較小的問題，效率也到提升。SRAM和PRAM之前是一眾巨頭競爭的對象，MRAM的特性就像一座難以逾越的大山，但是本次MRAM的新思路可以將MRAM用在存算一體芯片中，而數據中心、云計算、云宇宙等都是存算一體芯片的新場景、大市場。

借助存內計算的東風，MRAM商用騰飛再添動力。