臺(tái)積電新型存儲(chǔ)技術(shù)問世，功耗僅為同類技術(shù)的1%

近年來，在人工智能（AI）、5G 等推動(dòng)下，以 MRAM（磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）、鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (FRAM)、相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（PRAM），以及可變電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）為代表的新興存儲(chǔ)技術(shù)逐漸成為市場熱點(diǎn)。

從目前來看，最受期待的就是 MRAM，各大廠商在它上面投入的力度也最大。MRAM 屬于非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，是利用具有高敏感度的磁電阻材料制造的存儲(chǔ)器，斷電時(shí)，MRAM 儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，且耗能較低，讀寫速度快，可媲美 SRAM，比 Flash 速度快百倍，在存儲(chǔ)容量方面能替代 DRAM，且數(shù)據(jù)保存時(shí)間長，適合高性能應(yīng)用。

MRAM 的基本結(jié)構(gòu)是磁性隧道結(jié)，研發(fā)難度高，目前主要分為兩大類：傳統(tǒng) MRAM 和 STT-MRAM，前者以磁場驅(qū)動(dòng)，后者則采用自旋極化電流驅(qū)動(dòng)。

另外，相較于 DRAM、SRAM 和 NAND Flash 等技術(shù)面臨的微縮困境，MRAM 可滿足制程進(jìn)一步微縮需求。目前，DRAM 制程工藝節(jié)點(diǎn)為 1X nm，已接近極限，而 Flash 走到 20 nm 以下后，就朝 3D 制程轉(zhuǎn)型了。MRAM 制程則可推進(jìn)至 10nm 以下。

近日，臺(tái)積電與中國臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院 (ITRI) 的科學(xué)家共同展示了共同開發(fā)的 SOT MRAM 存儲(chǔ)器。新的存儲(chǔ)設(shè)備專為內(nèi)存計(jì)算而設(shè)計(jì)，并用作高級(jí)緩存。新內(nèi)存比 DRAM 更快，即使在斷電后也能保留數(shù)據(jù)。它旨在取代 STT-MRAM 存儲(chǔ)器，并且運(yùn)行期間的功耗降低 100 倍。

帶有 SOT-MRAM 芯片的實(shí)驗(yàn)晶圓。 來源：臺(tái)積電/工研院

在非易失性存儲(chǔ)器的其他有前景的選擇中，自旋轉(zhuǎn)移磁阻存儲(chǔ)器 (STT-MRAM) 長期以來一直是上層高速緩存存儲(chǔ)器（L3 及以上）和內(nèi)存中非易失性計(jì)算的競爭者，除其他外，還有存儲(chǔ)選項(xiàng)。這種存儲(chǔ)器變體使用自旋極化電流通過隧道結(jié)將磁化強(qiáng)度轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器單元。因此，STT-MRAM 的能耗比通過感應(yīng)電磁場進(jìn)行記錄的傳統(tǒng) MRAM 存儲(chǔ)器的能耗低幾倍。

SOT MRAM 存儲(chǔ)器走得更遠(yuǎn)。鐵磁層的記錄是在自旋軌道扭矩的幫助下發(fā)生的。該效應(yīng)通過兩種現(xiàn)象的組合在鐵磁層底部的導(dǎo)體中顯現(xiàn)出來：旋轉(zhuǎn)霍爾效應(yīng)和 Rashba 寶石效應(yīng)。結(jié)果，與導(dǎo)體相鄰的鐵磁體受到導(dǎo)體中自旋電流感應(yīng)的磁場的影響。這導(dǎo)致 SOT-MRAM 需要更少的功耗來運(yùn)行。

兩種類型的 MRAM 單元的寫入和讀取電流路徑。來源：新加坡國立大學(xué)

SOT-MRAM 的其他優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立的寫入和讀取電路，這對(duì)性能產(chǎn)生積極影響，并提高了耐磨性。

「該單元同時(shí)提供低功耗和高速運(yùn)行，速度高達(dá) 10 ns。」工研院電子與光電研究實(shí)驗(yàn)室主任張世吉博士說道。通過實(shí)現(xiàn)內(nèi)存計(jì)算電路可以進(jìn)一步提高整體計(jì)算性能。展望未來，該技術(shù)在高性能計(jì)算（HPC）、人工智能（AI）、汽車芯片等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

與延遲高達(dá) 100 ns 及以上的傳統(tǒng) DRAM 相比，延遲低至 10 ns 的 SOT MRAM 更接近 SRAM（延遲高達(dá) 2 ns）。當(dāng)然，它的延遲為 50 至 100 μs，明顯快于當(dāng)今流行的 3D NAND TLC。雖然 SOT-MRAM 內(nèi)存還不能馬上出現(xiàn)在處理器和控制器中，但是未來對(duì)于高效的內(nèi)存計(jì)算和自供電設(shè)備通常是必要的。

這些新技術(shù)正吸引各大晶圓廠不斷投入，其他具有代表性的廠商包括英特爾、三星等。

英特爾也是 MRAM 技術(shù)的主要推動(dòng)者，該公司采用的是基于 FinFET 技術(shù)的 22 nm 制程。2018 年底，英特爾首次公開介紹了其 MRAM 的研究成果，推出了一款基于 22nm FinFET 制程的 STT-MRAM，當(dāng)時(shí)，該公司稱，這是首款基于 FinFET 的 MRAM 產(chǎn)品，并表示已經(jīng)具備該技術(shù)產(chǎn)品的量產(chǎn)能力。

三星在 MRAM 研發(fā)方面算是起步較早的廠商，2002 年就開始了這項(xiàng)工作，并于 2005 年開始進(jìn)行 STT-MRAM 的研發(fā)，之后不斷演進(jìn)。2019 年，三星發(fā)布了采用 28FDS 工藝技術(shù)的 1Gb 嵌入 STT-MRAM?；诟叨瓤煽康?eMRAM 技術(shù)，在滿足令人滿意的讀取，寫入功能和 10 年保存時(shí)間的情況下，可以實(shí)現(xiàn) 90％以上的良率。并且具備高達(dá) 1E10 周期的耐久性，這些對(duì)于擴(kuò)展 eMRAM 應(yīng)用有很大幫助。

2019 年底，Mentor 宣布將為基于 Arm 的 eMRAM 編譯器 IP 提供 IC 測試解決方案，該方案基于三星的 28FDS 工藝技術(shù)。據(jù)悉，該測試方案利用了 Mentor 的 Tessent Memory BIST，為 SRAM 和 eMRAM 提供了一套統(tǒng)一的存儲(chǔ)器測試和修復(fù) IP。

目前 MRAM 有三個(gè)主要的應(yīng)用市場，一個(gè)是用來作為嵌入式存儲(chǔ)器，MRAM 的特性非常適合用來作為嵌入式存儲(chǔ)器，特別是在嵌入或整合在 MCU 中。此外，高密度的 MRAM 則適用于來作為系統(tǒng)暫存存儲(chǔ)器、加速 NAND 快閃存儲(chǔ)器，或者作為 SRAM 應(yīng)用的替代品。在未來，MRAM 甚至很可能用來取代 DRAM。MRAM 很適合用來作為企業(yè)客戶的關(guān)鍵型任務(wù)應(yīng)用程序，其中可針對(duì)包括功率損耗和檔案遺失等問題加以解決，因?yàn)檫@些問題一旦發(fā)生都可能嚴(yán)重影響客戶端的使用狀況。

而 MRAM 和其他的下一代存儲(chǔ)器，也都被視為是最適合用于機(jī)器學(xué)習(xí)的儲(chǔ)存技術(shù)。