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蓄勢待發(fā)的MRAM

lPCU_elecfans ? 來源:未知 ? 2022-11-29 07:15 ? 次閱讀
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電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/周凱揚(yáng))磁性隨機(jī)存儲器(MRAM)已經(jīng)有了多年的發(fā)展歷史,最早可以追溯到1984年,Arthur Pohm和 Jim Daughton兩人在霍尼韋爾打造出了首個磁阻存儲器設(shè)備。與SRAM和DRAM等易失性存儲器不同,MRAM在保證非易失性的同時(shí),還能同時(shí)擁有SRAM的高速讀寫性能和DRAM的高度集成度。

MRAM的分類與優(yōu)勢

第一代MRAM為Toggle(觸發(fā)型)MRAM,但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因,在耐久性、讀寫循環(huán)性能和成本上,Toggle-MRAM都不算是一個完美的方案,所以并沒有獲得什么大的商業(yè)成功。不過由于所有MRAM都具備的抗輻射特性,Toggle-MRAM還是在太空應(yīng)用上有所貢獻(xiàn)的。
約莫20年前,STT-MRAM(自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機(jī)存儲器)的出現(xiàn),為MRAM的成功商業(yè)化邁出了重要的一步。STT-MRAM采用了將自旋電流誘導(dǎo)至自由磁性層從而改變磁取向,在密度、非易失性上都有著極佳的性能表現(xiàn),STT-MRAM也因此被視為替代SRAM緩存的方案之一。
不同大小的SRAM與STT-MRAM讀寫能耗比較 / imec
imec曾展示過一個以STT-MRAM作為L3緩存的設(shè)計(jì),其中在5nm工藝節(jié)點(diǎn)下,STT-MRAM完全可以滿足HPC應(yīng)用上對L3的讀寫性能要求,與此同時(shí)STT-MRAM的占用面積卻只有SRAM的43%,在大容量的配置下也更加節(jié)能。
不過低開關(guān)速度還是STT-MRAM一個最大的痛點(diǎn),這也就是為何imec和英特爾公開展示過的STT-MRAM都是用于替代L3和L4的,而不是速度更快的L1或L2。為了打造更快的MRAM,SOT-MRAM(自旋軌道矩磁性隨機(jī)存儲器)也就應(yīng)運(yùn)而生了。
SOT-MRAM改變了寫入電流的方向,完成了讀寫解耦,消除了STT-SRAM在開關(guān)延遲上的限制,可實(shí)現(xiàn)ns以下的開關(guān)速度??蔀榱藢?shí)現(xiàn)這樣的優(yōu)勢,就不得不面臨面積增加,所以如果能在密度上進(jìn)行突破,就真的有可能實(shí)現(xiàn)對L1/L2緩存的替代,這也是各大晶圓廠研究的方向。

生產(chǎn)制造開始加速

對MRAM的普及起了最大限制的,還是制造工藝,哪怕對于臺積電、英特爾等頂級晶圓廠來說,也仍在摸索階段,尤其是SOT-MRAM設(shè)備。STT-MRAM的制造工藝目前已經(jīng)基本完善,相關(guān)產(chǎn)品的出貨和新品發(fā)布也都逐漸鋪開了,比如康盈半導(dǎo)體就在近日發(fā)布了自己的MRAM產(chǎn)品智能引擎全芯小精靈,發(fā)力微控制領(lǐng)域。
再以上面提到的臺積電為例,臺積電已經(jīng)開發(fā)并提供了STT-MRAM的解決方案,用于克服嵌入式閃存在擴(kuò)展性上的限制。但對于SOT-MRAM和VC-MRAM來說,哪怕是臺積電也仍在聯(lián)合第三方研究實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)界合作伙伴共同研究。根據(jù)臺積電的說法,他們的SOT-MRAM方案是基于高速(開關(guān)速度小于2ns)二進(jìn)制存儲來實(shí)現(xiàn)的,相較于傳統(tǒng)的6T-SRAM來說,密度可提升至5.3倍。
三星嵌入式MRAM / 三星
Everspin作為全球領(lǐng)先的MRAM開發(fā)商和制造商,已經(jīng)有了十?dāng)?shù)年的MRAM開發(fā)歷史,也在近日宣布將在美國印第安納州建立新的MRAM工廠,用于擴(kuò)大Toggle-MRAM和STT-MRAM的產(chǎn)能。三星也在2019年就開始了嵌入式MRAM的量產(chǎn),當(dāng)時(shí)的水平是基于28nm工藝,在今年的IEDM 2022上,三星宣布已經(jīng)將其MRAM技術(shù)推進(jìn)至了14nm FinFET工藝,與上一代相比,面積改善33%的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了2.6倍的讀取速度增幅。

小結(jié)

MRAM雖然已經(jīng)開始發(fā)力了,但仍需要得到下游市場的廣泛認(rèn)可,不能單憑幾家大廠每年在行業(yè)會議上做的報(bào)告就斷定這一技術(shù)已經(jīng)成熟,因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)和材料上,MRAM還有很長的一段路要走。即便如此,商業(yè)化的道路是必須先行的,無論是做嵌入式存儲還是緩存,MRAM可以從這幾年可穿戴、HPC和存算一體市場的發(fā)展中收獲更多機(jī)遇,否則擁有再大的產(chǎn)量也難逃“供大于求”的局面。

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原文標(biāo)題:蓄勢待發(fā)的MRAM

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