IBM與三星聯(lián)手啦！研發(fā)MRAM二十年數(shù)年后推出

　　在IBM Research大會(huì)發(fā)布的創(chuàng)新成果當(dāng)中，我們赫然發(fā)現(xiàn)傳說(shuō)中已經(jīng)擁有二十年開發(fā)歷史的非易失"通用型"磁性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱MRAM)正在進(jìn)行升級(jí)。IBM方面日前(7月7日)表示，通過(guò)與代工巨頭三星公司的合作，其正在利用自旋轉(zhuǎn)移力矩(簡(jiǎn)稱STT)設(shè)計(jì)對(duì)MRAM加以進(jìn)一步完善。

　　速度比閃存更快，密度較動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(DRAM)更高，這種通用型存儲(chǔ)器方案正在IBM公司內(nèi)部進(jìn)行最后一輪材料優(yōu)化與工程技術(shù)調(diào)整。IBM方面表示，其MRAM STT的訪問(wèn)時(shí)鐘在10納秒級(jí)別且功耗極低(僅為7.5微安)，且速度表現(xiàn)遠(yuǎn)超過(guò)閃存甚至接近DRAM。其適用范圍從小型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)芯片到大規(guī)模服務(wù)器存儲(chǔ)系統(tǒng)可謂無(wú)所不包。

　　整個(gè)研發(fā)周期長(zhǎng)達(dá)二十年

　　"IBM公司在磁性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器，或者說(shuō)MRAM領(lǐng)域已經(jīng)投入了二十年時(shí)間。其最初屬于DARPA(即國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局)資助的研究項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)IBM配合摩托羅拉希望打造一款場(chǎng)交換式MRAM，"IBM研究中心(位于紐約州約克敦海茨)MRAM高級(jí)經(jīng)理、杰出研究員兼首席研究專家Daniel Worledge在采訪中表示。"IBM公司的John Slonczewski早在1996年就提出應(yīng)該通過(guò)自旋力矩技術(shù)構(gòu)建這套方案，但當(dāng)時(shí)我們以為場(chǎng)交換機(jī)制的效果更理想。"

　　"我們?cè)贒ARPA資助項(xiàng)目結(jié)束之后，開始轉(zhuǎn)向自旋力矩實(shí)現(xiàn)方式?，F(xiàn)在我們已經(jīng)迎來(lái)了該項(xiàng)技術(shù)的二十周年，且通過(guò)與三星方面的合作將其設(shè)計(jì)制程縮減至11納米，"Worledge介紹稱。

　　不過(guò)Worledge認(rèn)為IBM的STT MRAM還無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)取代DRAM，但他深信SST MRAM能夠憑借著易于嵌入、速度極快且擁有無(wú)限次讀取與寫入能力等優(yōu)勢(shì)沖擊嵌入式閃存方案，特別是在讀寫壽命方面。接下來(lái)，IBM公司計(jì)劃對(duì)該單元的工程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而在最快三年之內(nèi)與合作伙伴將其推向量產(chǎn)。

　　自旋轉(zhuǎn)移力矩(簡(jiǎn)稱STT)磁性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱MRAM)中的每個(gè)bit單元都包含一個(gè)晶體管外加一條垂直排列的隧道交叉點(diǎn)。該隧道交叉點(diǎn)包含兩個(gè)磁體，其一的北極永遠(yuǎn)指向上，其二則為自由磁體、其北極可在向上與向下間切換以代表存儲(chǔ)0或者1。其只需要7.5微安電流通過(guò)即可實(shí)現(xiàn)偏振方向編程。(圖片來(lái)源：IBM)

　　IBM自旋轉(zhuǎn)移力矩(簡(jiǎn)稱STT)磁性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱MRAM)當(dāng)中單一11納米交叉點(diǎn)的透射電子顯微鏡影像。(圖片來(lái)源：IBM)

　　IBM與三星雙方需要克服的最大挑戰(zhàn)在于，如何建立起垂直方向單元。

　　"早在2009年，我們就意識(shí)到要想實(shí)現(xiàn)優(yōu)于DRAM的實(shí)際存儲(chǔ)效果，我們必須使用垂直磁性單元，因?yàn)镈RAM就必須采用垂直容量單元，"Worledge在采訪中解釋稱。"在研發(fā)早期，我們與TDK協(xié)作以創(chuàng)建這種垂直架構(gòu)。我們還與美光公司建立起初步合作關(guān)系，其目前仍在參與MRAM的研發(fā)。但最終，我們與三星成為合作伙伴，其于上周在Zurich實(shí)驗(yàn)室中設(shè)立了MRAM論壇，從而將這套垂直架構(gòu)的制程工藝推進(jìn)至11納米級(jí)別另外，進(jìn)一步達(dá)到10納米級(jí)別的途徑也已經(jīng)明確。"

　　之所以自旋轉(zhuǎn)移力矩成為這套架構(gòu)中的重要組成部分，是因?yàn)榕c目前EverSpin及其它廠商打造的磁場(chǎng)交換MRAM相比，前者只需要7.5微安電流即可完成bit寫入這一水平遠(yuǎn)優(yōu)于場(chǎng)交換技術(shù)的毫安級(jí)別功耗要求。

　　工作原理

　　再來(lái)看更多細(xì)節(jié)。IBM公司使用單一場(chǎng)效應(yīng)晶體管(簡(jiǎn)稱FET)通過(guò)STT MRAM內(nèi)的一條垂直磁性隧道交叉點(diǎn)(簡(jiǎn)稱MRJ)實(shí)現(xiàn)讀寫電流控制。位于堆疊結(jié)構(gòu)底部的FET接入該MRJ，后者則由鈷鐵硼(CoFeB)化合物層構(gòu)成，同時(shí)配合固定旋轉(zhuǎn)取向的鎂氧化物(MgO)隧道柵極以及可進(jìn)行自旋轉(zhuǎn)變以代表0與1的CoFeB頂層。此堆疊體系還輔以另一MgO層，旨在強(qiáng)化垂直磁體各向異性(簡(jiǎn)稱PMA)并降低自旋電流流失。

　　IBM紐約州約克敦海茨研究院MRAM部門高級(jí)經(jīng)理兼首席研究科學(xué)家Daniel WOrledge。(圖片來(lái)源：IBM)

　　各bit單元的指向反轉(zhuǎn)能夠在電流經(jīng)過(guò)后的短短10納秒內(nèi)完成。如果電流通過(guò)交叉點(diǎn)由下向上前行，則該bit亦會(huì)隨之朝向位于底部的CoFeB層。而如果電流自上而下推進(jìn)，bit則會(huì)背向位于底部的CoFeB層。通過(guò)優(yōu)化該單元的工程設(shè)計(jì)，其駐留生命周期可達(dá)到十至二十年之間，Worledge介紹稱。

　　IBM公司科學(xué)家Janusz Nowak展示11納米衢州轉(zhuǎn)移力矩(簡(jiǎn)稱STT)磁性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱MRAM)。(圖片來(lái)源：IBM)

　　"STT MRAM的關(guān)鍵性優(yōu)勢(shì)在于結(jié)合了非易失性與無(wú)限使用壽命，這不同于當(dāng)前乃至可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)所存在的任何其它存儲(chǔ)技術(shù)。另外，其亦通過(guò)對(duì)bit以及磁性材質(zhì)垂直異向性的優(yōu)化擁有極長(zhǎng)的數(shù)據(jù)駐留周期，"Worledge在采訪中解釋道。

　　在對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其每14億次寫入中僅存在1次寫入錯(cuò)誤，配合標(biāo)準(zhǔn)糾錯(cuò)技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)完美存儲(chǔ)效果，Worledge表示。

　　IBM公司科學(xué)家Guohan Hu手持一疊自旋轉(zhuǎn)移(簡(jiǎn)稱STT)磁性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱MRAM)晶圓。(圖片來(lái)源：IBM)