新一代存儲器發(fā)威 MRAM開啟了下一波儲存浪潮

目前有數(shù)家芯片制造商，正致力于開發(fā)名為STT-MRAM的新一代存儲器技術(shù)，然而這項技術(shù)仍存在其制造和測試等面向存在著諸多挑戰(zhàn)。STT-MRAM（又稱自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩MRAM技術(shù)）具有在單一元件中，結(jié)合數(shù)種常規(guī)存儲器的特性而獲得市場重視。在多年來的發(fā)展中發(fā)現(xiàn)，STT-MRAM具備了SRAM的速度與快閃存儲器的穩(wěn)定性與耐久性。STT-MRAM是透過電子自旋的磁性特性，在芯片中提供非揮發(fā)性儲存的功能。

STT-MRAM受市場關(guān)注

盡管，STT-MRAM這項技術(shù)看起來雖然有其優(yōu)勢，卻也高度復(fù)雜，這就是為什么它的發(fā)展歷程比預(yù)期的時間還更長。包括三星、臺積電、英特爾、GlobalFoundries 等，都正在持續(xù)開發(fā)STT-MRAM技術(shù)。盡管如此，芯片制造商在其晶圓設(shè)備上面臨到一些挑戰(zhàn)，例如必須改進(jìn)現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備，并將其升級到支援28nm或22nm甚至更新的納米制程。

圖一 : MRAM結(jié)構(gòu)圖

此外，在生產(chǎn)過程中，測試也將發(fā)揮關(guān)鍵的作用。STT-MRAM需要新的測試設(shè)備，用于測試其磁場狀況。除此之外，還包括在生產(chǎn)流程中的不同位置，例如晶圓廠中的生產(chǎn)階段、測試平臺、或者后測試等，都需要更為嚴(yán)格的檢測流程。

即便如此，挑戰(zhàn)仍然存在。當(dāng)MRAM芯片在強(qiáng)磁場中運(yùn)作時，MRAM測試就會產(chǎn)生新的狀況。在非磁性的儲存設(shè)備中，不必?fù)?dān)心這一點(diǎn)。然而對于MRAM來說，環(huán)境中的磁場就成了一個新的考量因素。通常，在操作期間需要利用強(qiáng)磁場來干擾STT-MRAM，這是需要經(jīng)過驗證并加以解決的問題。產(chǎn)業(yè)界目前正密切關(guān)注STT-MRAM，因為該儲存技術(shù)已經(jīng)開始被嵌入式領(lǐng)域的客戶用于產(chǎn)品設(shè)計階段的導(dǎo)入。

STT-MRAM不止能夠高速運(yùn)行，其特色在于即使電源關(guān)閉了也能保留數(shù)據(jù)，并且功耗也非常低。由于這些特性，使得STT-MRAM十分適合應(yīng)用于嵌入式存儲器市場，而包括PC、行動設(shè)備等儲存裝置，也都十分關(guān)注STT-MRAM的發(fā)展腳步。

更高密度與更低功耗

STT-MRAM與常規(guī)元件（Toggle MRAM）相比，STT-MRAM可實現(xiàn)更高的密度、更少的功耗，和更低的成本。一般來說，STT-MRAM優(yōu)于Toggle MRAM的主要特點(diǎn)，在于能夠擴(kuò)展STT-MRAM芯片，以更低的成本來實現(xiàn)更高的密度。正因為STT-MRAM是一種高性能的存儲器，足以挑戰(zhàn)現(xiàn)有的DRAM和SRAM等，因此非常有可能成為未來重要的存儲器技術(shù)。預(yù)計STT-MRAM可以擴(kuò)展至10nm以下制程，并挑戰(zhàn)快閃存儲器的更低成本。

圖二 : STT-MRAM架構(gòu)說明

STT代表的是自旋轉(zhuǎn)移力矩式結(jié)構(gòu)。在STT-MRAM元件中，使用自旋極化電流來翻轉(zhuǎn)電子的自旋結(jié)構(gòu)。這種效應(yīng)可在磁性穿遂接面（MTJ）或自旋閥中來實現(xiàn)，STT-MRAM元件使用的是STT-MTJ，透過使電流通過薄磁層產(chǎn)生自旋極化電流。然后將該電流導(dǎo)入較薄的磁層，經(jīng)由該磁層將角動量傳遞給薄磁層，進(jìn)而改變其旋轉(zhuǎn)。

一般常規(guī)STT-MRAM結(jié)構(gòu)使用平面MTJ（或稱為iMTJ）。有些STT-MRAM元件則使用稱為垂直MTJ（pMTJ）的最佳化結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中磁矩垂直于矽基板的表面。與iMTJ STT-MRAM相較之下，垂直STT-MRAM不僅更具可擴(kuò)展性，并且也更具有成本競爭力。因此，pMTJ結(jié)構(gòu)的STT-MRAM將是未來替代DRAM和其他儲存技術(shù)的更佳方案。

瞄準(zhǔn)嵌入式存儲器市場

MRAM具有旋轉(zhuǎn)的特性，電子的旋轉(zhuǎn)透過施加的電流來改變其方向，其方向變化的時間具有量子特性，這取決于旋轉(zhuǎn)的角度而定。STT-MRAM也容易出現(xiàn)變化，這可能會導(dǎo)致一些可靠性問題。STT-MRAM面臨的最大挑戰(zhàn)是所謂的讀取干擾。另一個問題在于制程。今天業(yè)界正在開發(fā)28nm或22nm的MRAM。STT-MRAM技術(shù)可以從2xnm節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展到1xnm節(jié)點(diǎn)，這點(diǎn)是毫無疑問的。然而是否可以持續(xù)擴(kuò)展到7nm或者5nm，則還有待觀察。

盡管如此，STT-MRAM的發(fā)展腳步毫無減緩的跡象，并瞄準(zhǔn)兩大應(yīng)用領(lǐng)域，分別是嵌入式存儲器和獨(dú)立存儲器。目前有些廠商專注于發(fā)展嵌入式MRAM。舉個例子來說明其重要性，通常微控制器（MCU）會在同一芯片上整合多種元件，例如運(yùn)算單元、SRAM和嵌入式快閃存儲器。而這種嵌入式快閃存儲器具備NOR的非揮發(fā)特性，這種NOR快閃存儲器通常都用來作為程式代碼的儲存用途。

目前業(yè)界已推出采用嵌入式NOR快閃存儲器的28納米MCU產(chǎn)品，至于研發(fā)階段的已有廠商開始采用16nm或14nm的芯片。然而有些專家認(rèn)為要在28nm以下制程范圍來擴(kuò)展嵌入式NOR快閃存儲器有其困難，許多人認(rèn)為28nm或22nm將成為這種快閃存儲器的極限，原因在于過高的成本將限制其市場接受度。

而這就是嵌入式STT-MRAM適用的地方。它適用于取代28nm或22nm甚至以上的嵌入式NOR快閃存儲器。除了這個優(yōu)點(diǎn)之外，STT-MRAM還可以替代或增強(qiáng)MCU、微處理器或SoC系統(tǒng)中的SRAM。

新一波的儲存浪潮來襲

專家預(yù)言，MRAM將帶來下一波的儲存浪潮。MRAM的特性，包括低功耗以及持久性等，使其在許多應(yīng)用上擁有極高靈活性。

根據(jù)調(diào)查指出，包括車用市場以及物聯(lián)網(wǎng)等市場，都是MRAM成長動能最高的領(lǐng)域。許多專家都預(yù)言，MRAM將帶來下一波的儲存浪潮。MRAM的特性，包括低功耗以及持久性等，都是使得MRAM在許多應(yīng)用上擁有極高靈活性的主要原因。舉個例子來看，MRAM可用于極低功耗的設(shè)計，例如穿戴式設(shè)備上，或者RFID的應(yīng)用（如智慧標(biāo)簽或追蹤器等），另外包括邊際運(yùn)算和云端應(yīng)用等，也都能夠滿足其性能上的需求。另一個例子則是資料中心，因為耗電量是在資料中心整體運(yùn)營成本中，占有最高的比重。

圖三 : MRAM被視為是最適合用于機(jī)器學(xué)習(xí)的儲存技術(shù)。

目前MRAM有三個主要的應(yīng)用市場，一個是用來作為嵌入式存儲器，MRAM的特性非常適合用來作為嵌入式存儲器，特別是在嵌入或整合在MCU中。此外，高密度的MRAM則適用于來作為系統(tǒng)暫存存儲器、加速NAND快閃存儲器，或者作為SRAM應(yīng)用的替代品。在未來，MRAM甚至很可能用來取代DRAM。MRAM很適合用來作為企業(yè)客戶的關(guān)鍵型任務(wù)應(yīng)用程序，其中可針對包括功率損耗和檔案遺失等問題加以解決，因為這些問題一旦發(fā)生都可能嚴(yán)重影響客戶端的使用狀況。

而MRAM和其他的下一代存儲器，也都被視為是最適合用于機(jī)器學(xué)習(xí)的儲存技術(shù)。在今天，機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)多半使用的是傳統(tǒng)的存儲器，這對于功率的消耗非常嚴(yán)重。根據(jù)研究指出，機(jī)器學(xué)習(xí)過程，很大一部分的功率是消耗在簡單的數(shù)據(jù)移動過程中，而不是實際的運(yùn)算功能。針對機(jī)器學(xué)習(xí)的過程，任何性能的提升，都有助于改善機(jī)器學(xué)習(xí)的能力。因此，與現(xiàn)有的DRAM產(chǎn)品相較之下，任何功耗的降低，和技術(shù)的持久穩(wěn)定性，都將有助于提升機(jī)器學(xué)習(xí)的整體效能。