被視為夢(mèng)幻存儲(chǔ)的MRAM 為何吸引半導(dǎo)體大廠相繼投入？

目前存儲(chǔ)市場(chǎng)以DRAM與NAND Flash為主流，而近年來，在人工智能、5G 等需求推升下，新興存儲(chǔ)MRAM(磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)) 逐漸成為市場(chǎng)焦點(diǎn)，是什么原因吸引臺(tái)積電、英特爾與三星等半導(dǎo)體大廠，相繼投入研發(fā)？

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)朝更小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)，DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ))與NAND Flash(閃存) 開始面臨微縮挑戰(zhàn)，DRAM 已接近微縮極限，而NAND Flash 則朝3D轉(zhuǎn)型，除微縮越趨困難外，在高速運(yùn)算上也遭遇阻礙。

而在人工智能、5G 時(shí)代來臨下，數(shù)據(jù)需求量暴增，隨著摩爾定律持續(xù)向下微縮，半導(dǎo)體業(yè)者加大對(duì)新興存儲(chǔ)的研發(fā)與投資力道，開始尋求成本更佳、速度更快、效能更好的儲(chǔ)存解決方案。

目前新興存儲(chǔ)主要包括鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)(FRAM)、相變化隨機(jī)存取存儲(chǔ)(PRAM)、磁阻式隨存取存儲(chǔ)(MRAM) 及可變電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)( RRAM) 等，其中又以MRAM最被看好、最受業(yè)界期待。

MRAM屬于非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)，是利用具高敏感度的磁電阻材料制造的存儲(chǔ)，斷電時(shí)，所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)不會(huì)消失，耗能較低；讀寫速度快，可媲美SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ))，比Flash 速度快上百倍、甚至千倍；在存儲(chǔ)容量上能與DRAM 抗衡，兼具處理與儲(chǔ)存資訊功能；且數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)，適合需要高性能的場(chǎng)域。

除效能上的優(yōu)點(diǎn)外，相較于 DRAM、SRAM 與 NAND Flash 等存儲(chǔ)面臨微縮困境，MRAM 特性可滿足制程微縮需求。目前 DRAM 制程停滯在 1X納米，而 Flash 走到 20納米以下后，朝 3D 制程轉(zhuǎn)型，MRAM 制程可推進(jìn)至 10納米以下。至于 SRAM，則在成本與能量損耗上，遭遇嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

在具備Flash 的非揮發(fā)性技術(shù)、SRAM 的快速讀寫能力、DRAM 的高元件集積度等特性之下，MRAM 未來發(fā)展?jié)摿涫芷诖?，已被半?dǎo)體業(yè)界視為下世代的夢(mèng)幻存儲(chǔ)技術(shù)，成為人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用上，可替代SRAM 的新興存儲(chǔ)。

也因此，除晶圓代工龍頭臺(tái)積電外，包括英特爾、三星、格芯等 IDM 廠與晶圓代工廠，相繼投入 MRAM 研發(fā)，盼其能成為后摩爾定律時(shí)代的新興儲(chǔ)存解決方案。

MRAM 與DRAM、NAND Flash 及SRAM 等存儲(chǔ)概念全然不同，MRAM 的基本結(jié)構(gòu)是磁性隧道結(jié)，研發(fā)難度高，目前主要為兩大類別：傳統(tǒng)MRAM 及STT-MRAM，前者以磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，后者則采自旋極化電流驅(qū)動(dòng)。

目前各家半導(dǎo)體大廠主要著眼 STT-MRAM，且越來越多嵌入式解決方案誕生，以取代 Flash、EEPROM 和 SRAM。三星采28納米FD-SOI(完全空乏型硅絕緣層金氧半晶體管) 制程制造；格芯同樣FD-SOI 技術(shù)，但制程已推進(jìn)至22納米；英特爾也采用基于FinFET(鰭式場(chǎng)效晶體管) 技術(shù)的22納米制程。

臺(tái)積電則是早在2002 年，就與工研院簽訂MRAM 合作發(fā)展計(jì)畫，目前正開發(fā)22納米嵌入式STT-MRAM，采用超低漏電CMOS(互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體) 技術(shù)，已完成技術(shù)驗(yàn)證、進(jìn)入量產(chǎn)，并將持續(xù)推進(jìn)16納米STT-MRAM 開發(fā)，以支持下世代嵌入式存儲(chǔ)MCU、車用電子元件、物聯(lián)網(wǎng)及人工智能等多項(xiàng)新應(yīng)用。

據(jù)研調(diào)機(jī)構(gòu) Yole Développement 指出，到 2024 年，STT-MRAM 市場(chǎng)規(guī)?？赏_(dá)到 18 億美元，其中嵌入式方案產(chǎn)值約 12 億美元、獨(dú)立元件約 6 億美元。未來幾年，雖然 DRAM 與 NAND Flash 將持續(xù)站穩(wěn)存儲(chǔ)市場(chǎng)主導(dǎo)地位，但隨著各家半導(dǎo)體大廠相繼投入發(fā)展，成本也將逐步下降，進(jìn)一步提升 MRAM 的市場(chǎng)普及率。