335
烽烟起，存储器大战已迫在眉睫。要说参战方有哪些？分别是 MRAM、PRAM、ReRAM。当然，篇幅有限，今天与非网小编就挑出其中的一项技术来为大家细细解说。
要说的就是最近引发大家关注的 MRAM 技术，在第 64 届国际电子器件会议 (IEDM) 上，全球两大半导体龙头英特尔及三星就为此大打出手。他们展示了嵌入式 MRAM 在逻辑芯片制造工艺中的新技术。从上世纪 90 年代到现在，历经了数十年发展的 MRAM，被业界认为是构建下一代非易失性缓存和主存的潜在存取器件之一。
MRAM 技术简介
MRAM (Magnetic Random Access Memory，磁阻式随机存取存储)，是一种非易失性存储技术，从 1990 年代开始发展。此技术速度接近静态随机存储的高速读取写入能力，具有闪存的非挥发性，容量密度及使用寿命不输 DRAM，但平均能耗远低于 DRAM，而且基本上可以无限次地重复写入。
MRAM 的数据写入方式有两种：磁场写入模式和全电流写入模式。
采用磁场写入方式的磁性随机存储器
前者主要利用了字线与位线在 MRAM 记录单元上所产生的磁场，使 MRAM 的自由层在磁场的作用下实现与钉扎层平行和反平行方向的翻转，以此来完成 0/1 数据的写入。
后者利用了自旋转移矩效应（spin transfer torque，STT），使写入数据线直接通过 MRAM 记录单元，利用自旋转移矩效应实现磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）自由层的翻转。
MRAM 芯片截面图
上图为 EVERSPIN 公司生产的 MRAM 产品截面图。MRAM 单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中，只需在后段的金属化过程增加制作 MTJ 需要的光刻掩模板的工艺即可。另外，因为 MRAM 单元可以完全制作在芯片的金属层中，将 2-3 层单元叠放起来是可以实现的，这也就可以在逻辑电路上方构造规模极大的内存阵列。
各类存储器的性能比较
与其他存储技术相比，MARM 在速度、面积、写入次数和功耗方面能够达到比较好的折中，因此被业界认为是构建下一代非易失性缓存和主存的潜在存取器件之一。
MRAM 特点
我们来看看 MRAM 有哪些特性。
首先看看 MRAM 有多快。
从上图可以看出，MRAM（Spin Torque MRAM）的读写速度跟 DRAM 差不多。3D-Xpoint、PCM 等新型存储介质，在写速度方面跟 MRAM 相差二三个数量级。所有新型存储介质中，MRAM 是唯一一个真正做到和 DRAM 一个级别访问速度的介质。
从上图我们还可以看到，MRAM 非常耐写，1 后面跟了很多很多 0，可以认为是长生不老。
除此之外，MRAM 还具有很好的数据保持性和宽的工作温度范围。
总结一下 MRAM 的特点：
基于闪存的 SSD，由于每个 block 寿命有限，因此 SSD 固件需要做磨损均衡（wear leveling）算法。MRAM 由于长生不老的特点，固件就无需实现 wear leveling 了。
闪存不能覆盖写（写之前需擦除 block），因此 SSD 固件需要做垃圾回收。MRAM 可以原地更新，因此不存在垃圾回收之说。
MRAM 的技术难点
第一,功耗大，写入信息速度较慢。写入信息时需要较大的电流产生磁场，使 MTJ 自由层磁矩发生反转。大电流变化速度较慢，限制了存储单元的写入信息的速度。随着存储单元的尺寸减少，使自由层磁矩发生反转所需的磁场越大，消耗的功率也越大。
第二，结构复杂，制造费用增加。字线和位线带有磁性外壳，使存储单元的结构更复杂，增加了制备工艺难度，且不易于 CMOS 进行集成，降低性价比。
第三，存储密度和存储容量受限。这种写入机制需要三端电流设计，在双电流选择写入单元时，为保证写入不影响其他单元，MRAM 设计记录单元的间距不能太小，否则会出现紧邻大单元间交叉影响，导致信息错误产生误码。
那如今全球 MRAM 玩家有多少？他们又是如何入局的呢？接下来与非网小编就带大家来看一下全球 MRAM 专利概况。
全球 MRAM 专利概况
上文提到，MRAM 是一种非挥发性的磁性随机存储器技术，拥护者认为，MRAM 技术速度接近 SRAM，具有快闪存储器的非挥发性，容量密度及使用寿命不输 DRAM，平均能耗远低于 DRAM，有望成为真正的通用型内存 (Universal memory)。
基于此，很多国家、地区的企业、个人都在申请 MRAM 相关专利。下图，是 MRAM 相关专利技术的发展概况。
全球 MRAM 申请年度分布
从图中看出，从 1990 年全球开始研发 MRAM 技术，1990~1997 年，MRAM 专利申请少，技术处于萌发期。1998 开始，从年申请量 74 不断增加，仅过 5 年，2002 年申请量即突破 1000 件大关，说明 1998~2002 年 MRAM 技术取到突破，技术处于快速增长期。2003 年全球 MRAM 专利申请达到 1513 件后，稍有下滑并进入平稳增长过程，说明 2003 年以后 MRAM 技术处于稳定发展期，处于不断的探索改进阶段，有待于取得新的突破性进展。
全球 MRAM 专利申请人及其申请量分布
主要申请人中排名前 20 的申请人有 TOSHIBA (东芝)、SAMSUNG ELECTRONICS (三星电子)、SONY (索尼)、ＩＢＭ、RENESAS ELECTRONICS (瑞萨电子)、SK Hynix (SK 海力士)、QUALCOMM (高通)、NEC (日本电气)、INFINEON TECHNOLOGIES (英飞凌科技)、HEWLETT-PACKARD (惠普)、TDK、MICRON TECHNOLOGY (美光科技)、TSMC (台积电)、EVERSPIN TECHNOLOGY (艾尔斯宾科技公司)、 FREESCALE SEMICONDUCTOR (飞思卡尔半导体)、HEADY TECH (海德威科技公司)、SEAGATE TECHNOLOGY (希捷科技)、CANON ANELVA (佳能安内华) 、MOTOROLA (摩托罗拉)、CROCUS TECHNOLOGY (科罗库斯科技)。
其中，以 TOSHIBA (东芝)的申请量最大，是第二名 SAMSUNG ELECTRONICS (三星电子)的差不多两倍，占总申请量的 11%，前 5 占总申请量的 30%将近 1/3,前 10 占总申请量的 47%将近一半，前 20 占总申请量的 62%，将近 2/3，从以上前 20 申请人可以知道，主要申请人主要来自于日本，其次为美国，然后为韩国和中国台湾。
全球 MRAM 产业公司
当前，国际上有超过 20 家美、日、韩、中国台湾等国家和地区的公司致力于研发 MRAM 产品。其中，起到推动作用的公司有 IBM、Eversipin 和以 Samsung 为代表的半导体公司。其中，IBM 是 MRAM 的先驱和主要推动者。
MRAM 产业主要公司
早在 20 年前，IBM 的实验室就率先开展 MRAM 的研发工作，并在第一代 astroid-MRAM 和第二代 STT-MRAM 的研发中取得了多项突破，为 MRAM 的发展做出了巨大的贡献；Everspin 是目前市场上唯一一家能够大批量提供商用 MRAM 产品的上市公司，其继承并发展了 Freescale 的 MRAM 技术。Everspin 能够提供的 MRAM 芯片容量从 128Kb 到 256Mb，这些存储芯片主要的应用领域集中在工业、航空航天、车用、能源与物联网等。
近年来，三星、格芯、台积电等半导体制造大厂也在加速布局 STT-MRAM。它们的目标是在近期内开发出嵌入式 MRAM（eMRAM）产品，不同是三星和格芯的晶体管制备倾向于采用 FD-SOI 工艺，而 TSMC 则采用 FinFET 工艺。随着 MRAM 制造技术不断趋于成熟以及市场需求的不断扩大，越来越多的公司进军 MRAM 领域，这将加速 MRAM 的产业化进程。
国内的 MRAM 产业仍处于起步阶段，整体实力薄弱，对全球 MRAM 的产业发展的贡献较少。在器件制备方面，除了 2016 年兆易创新斥资 500 万美元入股 Everspin 这一战略投资以外，仅有零散的几家初创公司（上海磁宇、浙江海康驰拓等）以及高校和科研院所（南京大学、北京航空航天大学、华中科技大学、中科学物理所等）开展 MRAM 的研发工作；在制造设备研发方面，江苏鲁汶仪器研发出 8 英寸 MRAM 刻蚀设备，支持 28nm 工艺节点，能够满足大学、研究所等小线的生产。该设备近期已向中国台湾工研院少量出货。
总体上，近 20 年来，在产业公司及科研机构的推动下，MRAM 的发展主要历了 astroid-MRAM、toggle-MRAM 以及 STT-MRM 等 3 个阶段。受限于磁性隧道结架构缺陷和制造能力，2010 年以前的 MRAM 的存储容量较小（＜64Mb）。2010 年以后，STT-MRAM 的设计和制造技术不断趋于成熟，促进了 MRAM 的存储容量不断提升。STT-MRAM 已经成为 MRAM 的主流技术路线。目前基垂直磁各向异性的磁隧道结的 STT-MRAM 的存储容量已经突破了 1Gb，有望在今后几年实现更大规模的量产和更加广泛的应用。
MRAM 发展现状
MRAM 不是只存在实验室，Everspin 公司已经实现量产，包括 Toggle MRAM 和 STT-MRAM 产品。
另外，GlobalFoundries 宣布了 MRAM 的产品计划，三星与英特尔已悄然间将该技术商用化。
除此之外，还有其他一些公司也在开发 MRAM 芯片，其中就有我们熟知的 IBM 和 Toshiba，以及不那么熟悉的 Avalanche Technologies, Spin Transfer Technologies，Crocus 等。
2018 年主要供应商 Everspin 营收可望年增 36%，2019~2020 年以后，随 GlobalFoundries、台积电、三星、联电等晶圆代工厂商逐步投入嵌入式(embedded) MRAM 生产，有助强化嵌入式 MRAM 技术发展，有利开拓多元需求及带动市场起飞。
在商品化方面，目前 MRAM 已发展到第三代，具有非挥发性、读写速度快、能耗低、制程仍有持续微缩空间等优点。就产品发展上，MRAM 可分为独立式(stand-alone)及嵌入式两大类，目前独立式占 MRAM 市场规模达 95%以上。
未来几年 MRAM 市场成长速度以嵌入式应用较为看好，主要想取代的产品是嵌入式 Flash 及 SRAM，尤以替代前者较为优先。嵌入式 Flash 制程微缩已遇瓶颈，各厂商产品组合介于 40nm~35μm，相对地，MRAM 目前已可达到 22nm，且未来制程微缩仍有许多发展空间，时间站在对 MRAM 有利的一方。
随着车用及物联网(IoT)芯片需求已朝 40/28/22nm 发展，未来边缘运算 AI 芯片也需更快速、耗电更低的嵌入式存储器，预期嵌入式 MRAM 今后市场成长速度将优于独立式 MRAM，2023~2024 年产值可望超越独立式 MRAM。
与非网原创内容，未经许可，不得转载！
下载ECAD模型
