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新一代記憶體發威 MRAM開啟下一波儲存浪潮
發揮高度靈活性

【作者: 王岫晨】   2019年09月24日 星期二

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目前有數家晶片製造商,正致力於開發名為STT-MRAM的新一代記憶體技術,然而這項技術仍存在其製造和測試等面向存在著諸多挑戰。STT-MRAM(又稱自旋轉移轉矩MRAM技術)具有在單一元件中,結合數種常規記憶體的特性而獲得市場重視。在多年來的發展中發現,STT-MRAM具備了SRAM的速度與快閃記憶體的穩定性與耐久性。STT-MRAM是透過電子自旋的磁性特性,在晶片中提供非揮發性儲存的功能。


STT-MRAM受市場關注

儘管,STT-MRAM這項技術看起來雖然有其優勢,卻也高度複雜,這就是為什麼它的發展歷程比預期的時間還更長。包括三星、台積電、英特爾、GlobalFoundries 等,都正在持續開發STT-MRAM技術。儘管如此,晶片製造商在其晶圓設備上面臨到一些挑戰,例如必須改進現有的生產設備,並將其升級到支援28nm或22nm甚至更新的奈米製程。



圖一 : MRAM結構圖
圖一 : MRAM結構圖

此外,在生產過程中,測試也將發揮關鍵的作用。STT-MRAM需要新的測試設備,用於測試其磁場狀況。除此之外,還包括在生產流程中的不同位置,例如晶圓廠中的生產階段、測試平台、或者後測試等,都需要更為嚴格的檢測流程。


即便如此,挑戰仍然存在。當MRAM晶片在強磁場中運作時,MRAM測試就會產生新的狀況。在非磁性的儲存設備中,不必擔心這一點。然而對於MRAM來說,環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磁場來干擾STT-MRAM,這是需要經過驗證並加以解決的問題。產業界目前正密切關注STT-MRAM,因為該儲存技術已經開始被嵌入式領域的客戶用於產品設計階段的導入。


STT-MRAM不止能夠高速運行,其特色在於即使電源關閉了也能保留數據,並且功耗也非常低。由於這些特性,使得STT-MRAM十分適合應用於嵌入式記憶體市場,而包括PC、行動設備等儲存裝置,也都十分關注STT-MRAM的發展腳步。


更高密度與更低功耗

STT-MRAM與常規元件(Toggle MRAM)相比,STT-MRAM可實現更高的密度、更少的功耗,和更低的成本。一般來說,STT-MRAM優於Toggle MRAM的主要特點,在於能夠擴展STT-MRAM晶片,以更低的成本來實現更高的密度。正因為STT-MRAM是一種高性能的記憶體,足以挑戰現有的DRAM和SRAM等,因此非常有可能成為未來重要的記憶體技術。預計STT-MRAM可以擴展至10nm以下製程,並挑戰快閃記憶體的更低成本。



圖二 : STT-MRAM架構說明
圖二 : STT-MRAM架構說明

STT代表的是自旋轉移力矩式結構。在STT-MRAM元件中,使用自旋極化電流來翻轉電子的自旋結構。這種效應可在磁性穿遂接面(MTJ)或自旋閥中來實現,STT-MRAM元件使用的是STT-MTJ,透過使電流通過薄磁層產生自旋極化電流。然後將該電流導入較薄的磁層,經由該磁層將角動量傳遞給薄磁層,進而改變其旋轉。


一般常規STT-MRAM結構使用平面MTJ(或稱為iMTJ)。有些STT-MRAM元件則使用稱為垂直MTJ(pMTJ)的最佳化結構,這種結構中磁矩垂直於矽基板的表面。與iMTJ STT-MRAM相較之下,垂直STT-MRAM不僅更具可擴展性,並且也更具有成本競爭力。因此,pMTJ結構的STT-MRAM將是未來替代DRAM和其他儲存技術的更佳方案。


瞄準嵌入式記憶體市場

MRAM具有旋轉的特性,電子的旋轉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,這取決於旋轉的角度而定。STT-MRAM也容易出現變化,這可能會導致一些可靠性問題。STT-MRAM面臨的最大挑戰是所謂的讀取干擾。另一個問題在於製程。今天業界正在開發28nm或22nm的MRAM。STT-MRAM技術可以從2xnm節點擴展到1xnm節點,這點是毫無疑問的。然而是否可以持續擴展到7nm或者5nm,則還有待觀察。


儘管如此,STT-MRAM的發展腳步毫無減緩的跡象,並瞄準兩大應用領域,分別是嵌入式記憶體和獨立記憶體。目前有些廠商專注於發展嵌入式MRAM。舉個例子來說明其重要性,通常微控制器(MCU)會在同一晶片上整合多種元件,例如運算單元、SRAM和嵌入式快閃記憶體。而這種嵌入式快閃記憶體具備NOR的非揮發特性,這種NOR快閃記憶體通常都用來作為程式代碼的儲存用途。


目前業界已推出採用嵌入式NOR快閃記憶體的28奈米MCU產品,至於研發階段的已有廠商開始採用16nm或14nm的晶片。然而有些專家認為要在28nm以下製程範圍來擴展嵌入式NOR快閃記憶體有其困難,許多人認為28nm或22nm將成為這種快閃記憶體的極限,原因在於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。它適用於取代28nm或22nm甚至以上的嵌入式NOR快閃記憶體。除了這個優點之外,STT-MRAM還可以替代或增強MCU、微處理器或SoC系統中的SRAM。


新一波的儲存浪潮來襲

專家預言,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,使其在許多應用上擁有極高靈活性。

根據調查指出,包括車用市場以及物聯網等市場,都是MRAM成長動能最高的領域。許多專家都預言,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在許多應用上擁有極高靈活性的主要原因。舉個例子來看,MRAM可用於極低功耗的設計,例如穿戴式設備上,或者RFID的應用(如智慧標籤或追蹤器等),另外包括邊際運算和雲端應用等,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營成本中,佔有最高的比重。



圖三 : MRAM被視為是最適合用於機器學習的儲存技術。
圖三 : MRAM被視為是最適合用於機器學習的儲存技術。

目前MRAM有三個主要的應用市場,一個是用來作為嵌入式記憶體,MRAM的特性非常適合用來作為嵌入式記憶體,特別是在嵌入或整合在MCU中。此外,高密度的MRAM則適用於來作為系統暫存記憶體、加速NAND快閃記憶體,或者作為SRAM應用的替代品。在未來,MRAM甚至很可能用來取代DRAM。MRAM很適合用來作為企業客戶的關鍵型任務應用程序,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生都可能嚴重影響客戶端的使用狀況。


而MRAM和其他的下一代記憶體,也都被視為是最適合用於機器學習的儲存技術。在今天,機器學習系統多半使用的是傳統的記憶體,這對於功率的消耗非常嚴重。根據研究指出,機器學習過程,很大一部分的功率是消耗在簡單的數據移動過程中,而不是實際的運算功能。針對機器學習的過程,任何性能的提升,都有助於改善機器學習的能力。因此,與現有的DRAM產品相較之下,任何功耗的降低,和技術的持久穩定性,都將有助於提升機器學習的整體效能。


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