作為一種“新”的NVM技術(shù)，MRAM擁有接近SRAM，具備快閃存儲(chǔ)器的非揮發(fā)性，同時(shí)在容量密度及使用壽命不輸DRAM，能耗更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前者，這讓他們從誕生以來，一直受到行業(yè)的廣泛的關(guān)注。根據(jù)Technavio的分析師預(yù)測(cè)，從2018年到2022年之間，全球MRAM市場(chǎng)將以44.63％的年復(fù)合成長(zhǎng)率成長(zhǎng)。

但正如知乎網(wǎng)友“張書嘉.Morris”的一個(gè)評(píng)論所說：

“其實(shí)MRAM這種過渡技術(shù)，IP層很薄，從大廠的角度看不出有什么超級(jí)利潤(rùn)，需求也很離散，customer ramping會(huì)非常耗力，并不像是大廠爭(zhēng)奪的賽道。當(dāng)然除非Apple先領(lǐng)頭，但Jobs不在了，這種變革很難做出。目前Intel/Samsung等幾家大廠都是拿半報(bào)廢設(shè)備（折舊殘值設(shè)備）出來玩，都沒有一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室報(bào)告是講講罷了?！?/p>

然而，日前應(yīng)用材料的一個(gè)宣布，讓我們又看到了MRAM騰飛的一個(gè)窗口。

群雄逐鹿的市場(chǎng)

據(jù)Digitimes資料庫(kù)顯示，磁性記憶體(MRAM)最早可以上推到1955年問世的磁芯記憶體(Magnetic Core Memory)，雖然結(jié)構(gòu)不同，但資料讀寫的機(jī)制基本上與現(xiàn)在的磁性記憶體是一樣的。

1988年時(shí)，歐洲科學(xué)家Albert Fert與Peter Grunberg發(fā)現(xiàn)了薄膜結(jié)構(gòu)中存在巨磁阻效應(yīng)(Giant Magnetoresistive Effect)，為現(xiàn)代的MRAM發(fā)展奠定基礎(chǔ)。之后摩托羅拉(Motorola)的半導(dǎo)體部門、IBM、英飛凌(Infineon)、Cypress Semiconductors、瑞薩(Renesas)等業(yè)者，以及目前的DRAM三巨頭三星電子(Samsung Electronics)、SK海力士(SK Hynix)與美光(Micron)均曾陸續(xù)投入研發(fā)MRAM的行列。

發(fā)展到當(dāng)下，市場(chǎng)上則形成了Everspin這樣的獨(dú)立MRAM供應(yīng)商和GlobalFoundries、臺(tái)積電、三星、聯(lián)電等晶圓代工廠商投身嵌入式(embedded) MRAM 的格局。其中Everspin是從飛思卡爾半導(dǎo)體公司分離出來的一家獨(dú)立公司，是全球第一家量產(chǎn)MRAM的供貨商。

今年六月，Everspin宣布，已經(jīng)開始試生產(chǎn)最新的1Gb STT-MRAM（自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻）非易失性隨機(jī)存取器。新MRAM器件采用格羅方德（GlobalFoundries）的28nm工藝制造，與當(dāng)前的40nm 256Mb 器件相比，其在密度和容量方面有了重大的進(jìn)步。而從性能參數(shù)上看，Everspin表示，新器件提供了8 / 16-bit 的 DDR4-1333 MT/s（667MHz）接口，但與較舊的基于DDR3 的 MRAM 組件一樣，時(shí)序上的差異使得其難以成為DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取器）的直接替代品。

在代工廠方面，格芯科技(Globalfoundries)已自去年起供應(yīng)采用其22FDX 22-nm FD-SOI制程的嵌入式MRAM。據(jù)介紹，基于22FDX平臺(tái)，提供比現(xiàn)在的NVM產(chǎn)品快1000倍的寫入速度和高1000倍的耐用性。在維持企業(yè)領(lǐng)先的eMRAM存儲(chǔ)單元大小的同時(shí)，22FDX?具備了可以在260°C（在工業(yè)級(jí)別的可操作溫度）回流焊接下維持?jǐn)?shù)據(jù)的能力。

三星也宣布已在一條基于28納米FD-SOI工藝的生產(chǎn)線上，開始大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)運(yùn)輸嵌入式MRAM(eMRAM)解決方案。三星方面，這一方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以通過在當(dāng)前基于邏輯流程的設(shè)計(jì)中添加最少的層數(shù)來實(shí)現(xiàn)，減輕了三星進(jìn)行新設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，并降低了生產(chǎn)成本。三星方面表示，公司已成功將技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到工廠，并將在不久的將來商用化。

英特爾也基于其22FFL工藝，推出了MRAM解決方案，芯片巨頭指出，英特爾嵌入式MRAM技術(shù)可在200攝氏度下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)10年的記憶期，并可在超過100萬個(gè)開關(guān)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)持久性。MRAM省電的特性，意味著英特爾嵌入式MRAM將很有可能先用于移動(dòng)設(shè)備。英特爾也強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)技術(shù)處于“生產(chǎn)準(zhǔn)備就緒”狀態(tài)；

至于臺(tái)積電，在他們今年六月的技術(shù)大會(huì)上，臺(tái)積電表示，公司還擁有比eflash還快三倍寫速度的22nm MRAM工藝，這個(gè)工藝早在2018年下半年就開始風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)。而臺(tái)積電董事長(zhǎng)劉德音在去年下半年表示，公司或?qū)⑹召?gòu)存儲(chǔ)工廠，相信MRAM會(huì)是他們的一個(gè)目標(biāo)。

報(bào)道指出，聯(lián)電方面也基于其28nm / 22nm技術(shù)的MRAM方面的平臺(tái)，這或會(huì)在2019年下半年推出。

雖然市場(chǎng)一片看好，尤其是eMRAM，如果能被嵌入到MCU等設(shè)備中，將會(huì)推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的變革。但MRAM依然面臨挑戰(zhàn)，尤其在量產(chǎn)方面。

量產(chǎn)有了新助攻

雖然MRAM擁有巨大的優(yōu)勢(shì)，但在CSTIC 2019上，就有專家提及，目前STT-MRAM的挑戰(zhàn)主要存在于需要更大的寫入電流、MTJ（磁性隧道結(jié)單元）的縮放，以及如何降低誤碼率這三者之間的平衡等問題。

而根據(jù)semiengineering之前的報(bào)道，制造MTJ單元需要沉積許多金屬和絕緣層，這首先是使用沉積系統(tǒng)在底部電極上形成這些材料的多層堆疊，然后在每一層都必須精確控制和測(cè)量。但同時(shí)我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，制造這些器件要用到的鈷-鐵和鈷-鐵-硼磁性層不易與等離子氣體形成揮發(fā)性化合物，所以難以蝕刻，那就意味著MRAM器件的蝕刻步驟是也極具挑戰(zhàn)性。

為了解決這些問題，在2019年7月，應(yīng)用材料推出了新型Endura平臺(tái)。據(jù)他們介紹，這是公司有史以來最精密的芯片制造系統(tǒng)，由9個(gè)特制的工藝反應(yīng)腔組成，這些反應(yīng)腔全部集成在高度真空的無塵環(huán)境下。

他們進(jìn)一步指出，這是業(yè)內(nèi)首個(gè)用于大規(guī)模量產(chǎn)的300毫米MRAM系統(tǒng)，其中每個(gè)反應(yīng)腔最多能夠沉積五種不同材料。MRAM存儲(chǔ)器需要對(duì)至少30層的材料進(jìn)行精確沉積，其中有些層的厚度比人類的發(fā)絲還要薄500,000倍。即使僅有原子直徑幾分之一的工藝變化，也會(huì)極大地影響器件的性能和可靠性。Clover MRAM PVD 平臺(tái)引入了機(jī)載計(jì)量技術(shù)，能夠以亞埃級(jí)靈敏度對(duì)所產(chǎn)生的MRAM層的厚度進(jìn)行測(cè)量與監(jiān)控，從而確保實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的均勻度并規(guī)避接觸外界環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

Spin Memory 首席執(zhí)行官Tom Sparkman表示，應(yīng)用材料公司推出的量產(chǎn)制造系統(tǒng)對(duì)行業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)起到了巨大的推動(dòng)作用，我們很高興能與應(yīng)用材料公司合作打造MRAM解決方案并加速其工業(yè)應(yīng)用。

雖然應(yīng)用材料解決了一方面的問題。但正如semiengineering所說，MRAM在生產(chǎn)過程中還需要面對(duì)測(cè)試等問題。

“對(duì)于MRAM來說，最大的未知是磁干擾，”Intuitive Cognition Consulting的Eggleston在接受semiengineering采訪的時(shí)候說到，“對(duì)于eFlash或非易失性SRAM，我們從不關(guān)心這一點(diǎn)?，F(xiàn)在，可靠性測(cè)試是在芯片上完成的?！痹谶@種情況下，您可以在處于斷電狀態(tài)時(shí)查看是否可以中斷數(shù)據(jù)保留，或者在寫入操作期間可能會(huì)出現(xiàn)這種情況。如果您正在編寫芯片，這是一個(gè)棘手的問題，因?yàn)槟阆胍M(jìn)行足夠強(qiáng)硬的測(cè)試，但你也希望它與現(xiàn)實(shí)世界相關(guān)。與此同時(shí)，現(xiàn)在新一代的MRAM還在面臨速度的一些限制。

新的變局正在形成

回看MRAM的發(fā)展。

1984年，當(dāng)時(shí)Albert Fert和PeterGrünberg發(fā)現(xiàn)了GMR效應(yīng)，這是MARM研究的真正開始。在20世紀(jì)80年代中期，支持者認(rèn)為MRAM最終將超越競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，成為占主導(dǎo)地位甚至是通用的存儲(chǔ)器。

到了1996年，自旋轉(zhuǎn)移力矩被提了出來，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使磁隧道結(jié)或自旋閥能夠被自旋極化電流修改?；谶@一點(diǎn)，摩托羅拉開始了他們的MRAM研究。一年后，摩托羅拉開發(fā)出一種256Kb的MRAM測(cè)試芯片。這使得MRAM技術(shù)開始走向產(chǎn)品化，

隨后在2002年，摩托羅拉被授予Toggle專利。這也是第一代MRAM，即Toggle MRAM。但是，由于第一代MRAM在先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)下耗能太高，使得MRAM的發(fā)展遇到瓶頸。

2006年7月，飛思卡爾開始銷售世界上第一款商用MRAM芯片。這些芯片的容量低至4Mbit，價(jià)格定在25美元。與此同時(shí)，MRAM已經(jīng)開始受到了其他廠商的關(guān)注，英飛凌、臺(tái)積電、東芝、瑞薩等等企業(yè)也開始了MRAM方面的研究。MRAM技術(shù)也得以向第二代發(fā)展，目前，主流的研究主要是TAS-MRAM和STT-MRAM。尤其是STT-MRAM，因?yàn)閾碛斜菵RAM更快，更高效且更容易縮小的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)還能能兼顧MRAM的性能，還能夠滿足低電流的同時(shí)并降低成本。這被視為是可以挑戰(zhàn)DRAM和SRAM的高性能存儲(chǔ)器，并有可能成為領(lǐng)先的存儲(chǔ)技術(shù)。

然而在IMEC最近的一個(gè)研究，SS-MRAM面臨新的挑戰(zhàn)。根據(jù)他們的披露，當(dāng)前的STT-MRAM在速度方面遇到了一些障礙。為了使其足夠快以與SRAM競(jìng)爭(zhēng)，數(shù)據(jù)保留嚴(yán)重一種稱為SOT（spin-orbit transfe）的MRAM的產(chǎn)品正在開發(fā)中。

SOT MRAM既然使用了不同于STT MRAM的翻轉(zhuǎn)機(jī)制，在元件結(jié)構(gòu)上也自然不同。STT MRAM的讀、寫電流均直接垂直通過MTJ；而SOT MRAM的讀取電流如舊，但寫入電流則依靠與自由層平行鄰接的材料中流過的電流，帶動(dòng)二者界面上的自旋軌道作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，用以翻轉(zhuǎn)自由層的磁矩。

據(jù)相關(guān)報(bào)道，如果拓樸絕緣體如Bi2Se3能被應(yīng)用于SOT MRAM，那么其寫入速度可以快20倍，單元密度可以大10倍，成為存儲(chǔ)的新明星。但毫無疑問的是，這種新技術(shù)同樣會(huì)帶來新挑戰(zhàn)：

一方面，因?yàn)镾OT MRAM讀自讀、寫自寫，因此需要額外的端點(diǎn)。這在設(shè)計(jì)上是個(gè)麻煩，而且增加單元面積；另一個(gè)問題是自旋軌道轉(zhuǎn)矩的翻轉(zhuǎn)機(jī)制只能將自由層的磁矩翻轉(zhuǎn)至其垂直于原來方向，最后穩(wěn)定的方向還得有方法調(diào)整、指定。最想當(dāng)然的方式是外加磁場(chǎng)，但這是設(shè)計(jì)元件的人最不愿意看到的事。

總而言之，對(duì)于新的存儲(chǔ)技術(shù)，還有著很多的不確定性。

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