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挣足钱的三星进攻下一代存储,MRAM成为目标?

2017-04-29 02:25·半导体行业观察
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《韩国经济日报》报导,传三星电子(Samsung Electronics) 已在磁阻式随机存取记忆体(MRAM) 取得重大进展,市场估计在5 月24 日的一场晶圆厂商论坛上,三星电子将会发布该公司所研发的MRAM 记忆体。

由于标准型记忆体DRAM、NAND Flash 等微缩制程已逼近极限,目前全球半导体巨擘皆正大举发展次世代记忆体「磁电阻式随机存取记忆体(MRAM)」,与含3D XPoint 技术的「相变化记忆体(PRAM)」及「电阻式动态随机存取记忆体(RRAM)」。

上述三类次世代记忆体皆具有非挥发性记忆体技术,兼具高效能及低耗电之特性,估计这类次世代记忆体处理速度,将比一般闪存记忆体还要快上十万倍。

目前三星电子正大力发展MRAM记忆体,而另一半导体巨擘英特尔( INTC-US )则是强攻含3D XPoint技术的PRAM型记忆体。

全球最大半导体代工厂台积电( 2330-TW )亦曾在4月13日对外说明,台积电绝对不会踏入标准型记忆体领域,因为台积电目前已具备「量产」MRAM及电阻式动态随机存取记忆体(RRAM)等新型记忆体之技术。

据韩国半导体业内人士透露,全球半导体巨擘正在次世代记忆体市场内强力竞争,这很可能将全面改变半导体市场的发展前景,并成为未来半导体代工的主要业务之一。

《韩国经济日报》表示,磁电阻式随机存取记忆体(MRAM)、相变化记忆体(PRAM)、电阻式动态随机存取记忆体(RRAM) 等三大次世代记忆体中,又以MRAM的处理速度最快,但也是最难量产的记忆体类型。

据了解,目前欧洲最大半导体商恩智浦半导体( NXPI-US )已经决定采用三星电子的MRAM记忆体,以应用在相关的物联网装置之上。

MRAM”是什么?

MRAM的全称是Magnetoresistance Random Access Memory,磁致电阻随机存储器。目前,MRAM的诸多研究中,已经可以开始生产的产品结构被称为STT-MRAM(Spin Transfer Torque Magnetoresistance Random Access Memory,自旋注入磁化反转磁致电阻随机存储器)。因此,本文的介绍也基于STTMRAM进行,简称为MRAM。

如果单看上文给出的名字:自旋注入磁化反转磁致电阻随机存储器,如此“高大上”的名称肯定让人眼晕。实际上,MRAM的结构并不复杂,原理也不难。它采用了类似三明治的结构。为了讲清楚它的工作原理,我们先了解一些特性:

1.磁电阻效应:这是指某些材料在强磁场下表现高电阻,弱磁场下表现低电阻(或者相反)。磁电阻效应在很多金属和半导体上都可看到,电阻率变化正负都有,常见的比如锑化铟、砷化铟等都是磁电阻效应比较明显的材料。

2.量子隧道效应:又称为势垒贯穿,是指电子在表现出波的性质的时候,有一定概率以波的方式越过势垒的效应。简单来说,就是在绝缘层极薄的情况下,它拥有一定的导电能力。

3.自旋注入磁化反转效应:这个效应前文提到了,也就是Spin Transfer Torque。

在了解各种效应后,理解MRAM的设计就不难了。如图3所示的MRAM三明治结构。上下两层磁体夹着中间的绝缘膜,其厚度大约几纳米,如此薄的绝缘膜使得量子隧道效应能很自如的展现出来。

除了绝缘层外,MRAM中可变磁方向的层(利用自旋注入磁化反转效应)被称为“自由层”,而固定不变的永磁体层被称为“参考层”。

当一个MRAM单元通电后,电流利用量子隧道效应,在自由层和参考层之间流动。当参考层的磁场方向和自由层相同时,磁场表现为叠加强磁场,电阻变低,电流变大;当两者方向相反时,磁场表现为互斥弱磁场,电阻变高,电流变小,相反的情况也可以。工程人员只需要测试电流的高低差值、或者电压差,就可以很自如的给出1和0两种状态定义,从而存储数据。

不仅如此,由于自由层的磁场方向改变是由于外部条件引发电子自旋方向改变,因此只要外部条件消失,电子自旋方向理论上会稳定持久的存在下去,这就意味着在完成了写入状态后,数据状态会被永久的保留。

从技术原理来看,MRAM似乎不难理解。但是它的理论知识却涉及相对论、量子力学等一些物理前沿学科。当然,在了解了结构之后,人们对MRAM还是抱有一定的疑惑:这东西,真的管用吗?

MRAM的优势—易制造、密度高、速度快、高耐久

相比目前的DRAM或者SRAM,MRAM的优势还是非常明显的。包括它的高可制造性、高数据密度、高速度、非易失性和耐久性等,都吸引着研发人员的目光。

高可制造性

MRAM是比较容易使用现有的工艺制造,这是由于其结构本身所决定的。在制造中,人们只需要在后端金属化过程中增加几步需要光刻掩膜板的工艺,即可完成MRAM的大规模制造。除此之外,MRAM和目前的晶体管相容性也非常不错,可以很方便地就嵌入到逻辑电路中。

MRAM的高可制造性使得全球各大厂商在推广MRAM的生产和研究方面充满了热情。毕竟不需要彻底更新现有设备就能实现全新一代存储颗粒的生产,简直再美好不过了。不仅如此,台湾的一些研究机构还针对MRAM的生产制造做出了一些改进。早期的MRAM采用的是横向水平排列,这样的工艺虽然可以完成,但是在体积上不太容易缩小。因此台湾的芯片制造商开始考虑使用垂直架构来完成产品的生产。目前的核心问题在于如何解决“电流不对称”上,所谓电流不对称,就是指将MRAM的自由层的磁场使用一定强度的电流固定在一个方向后,要使用更大的电流才能将其翻转至另一个方向。这样的情况带来了MRAM在使用和控制上的一些问题,比如能耗比降低、写入速度变慢等。目前对非对称问题的研究很多,很可能部分厂商已经在实验室中得到了完美解决。

高数据密度

所谓更小的面积,目前的数据是指相比SRAM,MRAM在同等面积下能够提供大约是SRAM两倍甚至四倍的容量。这个消息对很多处理器生产厂商来说可谓“天籁之音”,因为庞大的SRAM已经占据了太多的芯片空间。

有关这部分的详细数据,IBM和希捷在2009年的HPCA高性能计算机体系结构国际研讨会上有更详细的阐述。在IBM的数据中,如果使用65nmCMOS工艺制造SRAM和MRAM生产存储单元,那么SRAM的存储单元面积为146个单位面积,而MRAM只有大约40个单位面积。具体面积方面,MRAM能够在3.3平方毫米的面积中容纳512KB的数量,而SRAM在3.62平方毫米的面积中只能容纳128KB。更进一步的话,目前在CPU缓存中广泛使用16-way的L2SRAM配置方案,容量大概不超过2MB,但如果改用MRAM的话,这个容量将会达到8MB。

总的来看,MRAM得益于先天的结构优势,在数据密度方面有了比较大的提高。这有助于MRAM未来在CPU、GPU等场合的应用,更大的缓存可以存储更多的数据并显著提高计算效率,降低等待时间。

高速度

和所有的存储设备发展历程一样,早期的MRAM在完成了结构设计和优化后,所展示出来的速度并没有达到SRAM缓存的级别,甚至差距有一个数量级之多。但是这并不意味着MRAM没有改进的空间,相反它的速度进步空间极大。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1262期内容,欢迎关注。

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