有关STT-MRAM的一些科普

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存储是电子系统重要组成部分，目前绝大多数电子系统均采用寄存、主存加硬盘的存储体系结构。与之对应，静态存储器（SRAM）、动态随机存储器（DRAM）、闪存（Flash）或硬盘（HDD）成为实现这三种存储体系的传统存储技术。

随着信息和纳米加工技术高速发展，基于传统存储体系构建的电子系统正面临着巨大的挑战。伴随着更多业者进入MRAM市场，也看得出来大家都逐渐看到了MRAM的商机及其可能取代现有主流存储技术的未来前景。

1.新兴内存概述

现代的计算机系统运作依赖大量的动态随机存取内存(DRAM)作为快取与存储内存间的效能运转的桥梁，但读写的单元与储存节点受到微缩制程的限制，让内存的效能无法持续提升；而内存系统为了储存更大量的数据，容量需要增加。

内存容量增加，这是整体系统的趋势，却受到芯片微缩不易、耗能增加(Energy hungry)、高成本高等问题受限。与此同时，磁组式随机存取内存(MRAM)、电阻式内存(RRAM)与向变化内存(PCM)等新兴记忆的技术已经成为延续半导体产品或将成为电子系统持续发展上重要的一环。

整体新兴内存的潜力市场分布从低密度(lowdensity)常应用的工业、消费性电子市场(如: 智能型玩具、智能灯泡控制器等)、中阶密度(Medium density)的应用市场如手机、PC与部分HPC等，到高密度(Highdensity)的商用储存到云端等都是新兴内存可以发展的市场。（如图1）

图1新兴内存的潜力市场

内存从速度快到慢来分级，可分为与CPU端合作的高速缓存(Cache)、传输读取地址数据的RAM、储存级内存(Storage Class Memory；SCM)、固态硬盘(SSD)等，分别由SRAM、DRAM、NAND等各司其职。

但随着物理技术上的限制，开发出新的内存，如PCM、STT-MRAM、RRAM等来做为替代或互补的新选项是电子与半导体业者共同努力的方向

图2为新兴内存的主要类型，从左自右为STT-MRAM、PCM、RRAM、CBRAM、FERAM，其共通点都是透过磁性或阻值的转换来形成内存特性，且都具有非挥发特性。

图2 主要EmergingMemory的类型

其中旋转力矩转移随机存取内存（Spin-TorqueTransfer RAM；STT-RAM）属于第二代的MRAM技术。在操作速度方面，与SRAM与DRAM的特性较为接近，因此STT-MRAM成为追求速度的新选项，再加上其具有非挥发的特性，因此已经成为众多业者投入的重点技术。

2.STT-MRAM的市场

2.1 STT-MRAM技术

新兴内存有MRAM、PCM、RRAM、FeRAM等多种技术，其中STT-MRAM在最近有许多重要的技术突破、进入风险量产阶段，为什么STT-MRAM的发展趋向成熟且将成为不可或缺的重要内存呢?

首先，MRAM已经经过数十年的研究发展，其结构是以上下磁性材料推迭出自由层(free layer)与参考层(reference layer)，中间唯一氧化层的结构用来打造磁性自旋机制，透过上下铁磁层的磁化方向控制改变电阻阻值形成差异。

但过去在设计、制程、材料等的掌握始终无法掌握有效的MRAM产品，从一开始的Field MRAM，进展到in-plane MRAM，而发展至今以Perpendicular MRAM（也就是目前最常讨论的STT-MRAM），一路从翻转磁化方向的机制改为自旋力矩移转控制，在密度与效能上都得到了提升，但是在材料与结构方方面仍有许多需要探讨的地方。

图3 MRAM的发展历程

2.2 STT-MRAM应用

STT-MRAM的应用主要因为其读写速度介于DRAM与Flash间，在速度上属于现有新兴内存选项中较快且较趋近于DRAM的类型。

除此之外，低功耗与高密度也是其优点，所以其应用锁定替代eDRAM、SRAM等，包含从嵌入式非挥发性内存(eNVM)、工作内存(Working memory) 与末级高速缓存(Last Level Cache；LLC)等，随着其技术突破与容量的提升STT-MRAM的应用将更为广泛。

图4 STT-MRAM的机会

STT-MRAM目前业者公布的容量约落在8Mb左右，其主要目标市场包含IoT、车用、消费与行动装置的MCU或SoC中的eFlash、随之取代eSRAM/eDRAM，作为高速L2&L3闪存。

2.3 嵌入式闪存(eFlash)

嵌入式STT-MRAM取代eFlash的挑战包含制程整合、1T1R的组件制程、整体组件设计、soldering flow、微缩化等。目前在各方面参数表现都优于既有的eFlash表现，因此其量产时程是最早。

2.4嵌入式静态随机存取内存(eSRAM)

根据第九届MRAM论坛上，台积电表示目前eSRAM使用STT-MRAM的替代时程将较eFlash晚，因为在各方面的参数表现上，STT-MRAM尚不具有优势，仍须持续开发技术的改变。STT-MRAM除了eFlash外，超越eFlash的替代目标是eSRAM，而未来希望实现NVRAM的终极目标。

3.STT-MRAM的厂商动态

从第九届MRAM论坛上，格罗方德David Eggleston说:“MRAM赢了! PCM、RRAM、CNT等玩完了”，可以看到MRAM的技术热度，但PCM与RRAM是否玩完了? 在新兴内存上的比赛上仍需要持续观察，毕竟在未来发展人工智能与类神经网络上的内存应用需求势必变得更多元，因此谁输谁赢可能在不同应用领域上将是另一个故事。

目前STT-MRAM的厂商从系统涵盖到晶圆代工业者。2017年底厂商最新发展包含

1.台积电宣布22纳米嵌入式MRAM技术已经准备进入量产

2.2018年三星也准备进入28奈米嵌入式MRMA风险试产

3.三星说明其28FDSOI与eMRAM的制程良率已达75%左右，未来目标为90%

4.格罗方德则准备在22奈米进行STT-MRAM的量产，并与FDSOI技术结合。

由全球主要的半导体制造厂商纷纷宣布提供MRAM的制程技术，显示出了MRAM的技术从研发趋向于成熟。而当晶圆代工业者宣布提供此项技术支持时，显示出了市场的需求将进入成长阶段，也或许因既有嵌入式内存的特性(如:尺寸、功耗等)与制程技术受到限制，所以进入技术转换阶段。

表2 全球主要发展MRAM/STT-MRAM厂商现况

4.未来趋势

不管是eFlash或是eSRAM，STT-MRAM都将成为未来内存的重要救援，因为内存在半导体制程上所遭遇的问题急需新兴内存提供解决方案。而STT-MRAM在技术、产品与厂商的努力多年下即将在产品上实现量产。

由于STT-MRAM具有低写入电流、数据retention 跟写入速度快，且在CMOS制程整合上简单等结合多项优势特点，在后段制程上增加数道光罩就足以完成STT-MRAM的架构优势，使其成为晶圆代工业者的重要投注诱因。而在设计上需要考虑的两大重点，一是MTJ尺寸与写入电流的量化、二是与晶体管整合可容许的尺寸。

目前STT-MRAM为主要厂商投注目标，但SOT-MRAM也受到学术界的注意，未来将由制程的整合、成本与稳定度来决定胜出的架构是哪一类型。

诸多探讨将把新兴内存与人工智能、类神经网络芯片进行整合，为什么需要新兴内存的因素在于读写速度与低功耗的需求。因为依据目前AI的发展，未来芯片/系统将面临包含大量的功率损耗输出、大量的运算、脱机学习等功能，因此将逻辑组件与新兴内存整合成为既有芯片中SRAM尺寸功耗限制或嵌入式内存的重要解套方式，而在边际运算上，也可考虑以模拟SOT的ANN组件设计新的硬件架构。

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存储概念这么多，MRAM为何能成为各大厂商的抢手货？

与非网 4 月 27 日讯，近年来，在人工智能、5G时代来临下，数据需求量暴增，随着摩尔定律持续向下微缩，半导体业者加大对新兴存储的研发与投资力道，开始寻求成本更佳、速度更快、效能更好的储存解决方案。

新兴存储 MRAM(磁阻式随机存取存储) 逐渐成为市场焦点，台积电、英特尔与三星等半导体大厂，相继投入研发。

据了解，MRAM 具有成为通用存储器的潜力，能够将存储存储器的密度与 SRAM 的速度结合在一起，同时始终保持非易失性和高能效。MRAM 可以抵抗高辐射，可以在极端温度条件下运行，并且可以防篡改。MRAM 技术仍远未实现其潜力，但截至 2020 年初，市场上有从很小的 MRAM 到 1Gb 芯片的 MRAM 芯片，并且公司正在将该技术用于许多应用。

MRAM 属于非挥发性存储技术，是利用具高敏感度的磁电阻材料制造的存储，断电时，所储存的数据不会消失，耗能较低；读写速度快，可媲美 SRAM(静态随机存取存储)，比 Flash 速度快上百倍、甚至千倍；在存储容量上能与 DRAM抗衡，兼具处理与储存资讯功能；且数据保存时间长，适合需要高性能的场域。

除效能上的优点外，相较于 DRAM、SRAM 与 NAND Flash 等存储面临微缩困境，MRAM 特性可满足制程微缩需求。目前 DRAM 制程停滞在 1X 纳米，而 Flash 走到 20 纳米以下后，朝 3D 制程转型，MRAM 制程可推进至 10 纳米以下。至于 SRAM，则在成本与能量损耗上，遭遇严峻挑战。

在具备 Flash 的非挥发性技术、SRAM 的快速读写能力、DRAM 的高元件集积度等特性之下，MRAM 未来发展潜力备受期待，已被半导体业界视为下世代的梦幻存储技术，成为人工智能与机器学习应用上，可替代 SRAM 的新兴存储。

也因此，除晶圆代工龙头台积电外，包括英特尔、三星、格芯等 IDM 厂与晶圆代工厂，相继投入 MRAM 研发，盼其能成为后摩尔定律时代的新兴储存解决方案。

MRAM 与 DRAM、NAND Flash 及 SRAM 等存储概念全然不同，MRAM 的基本结构是磁性隧道结，研发难度高，目前主要为两大类别：传统 MRAM 及 STT-MRAM，前者以磁场驱动，后者则采自旋极化电流驱动。

目前各家半导体大厂主要着眼 STT-MRAM，且越来越多嵌入式解决方案诞生，以取代 Flash、EEPROM 和 SRAM。三星采 28 纳米 FD-SOI(完全空乏型硅绝缘层金氧半晶体管) 制程制造；格芯同样 FD-SOI 技术，但制程已推进至 22 纳米；英特尔也采用基于 FinFET(鳍式场效晶体管) 技术的 22 纳米制程。

台积电则是早在 2002 年，就与工研院签订 MRAM 合作发展计画，目前正开发 22 纳米嵌入式 STT-MRAM，采用超低漏电 CMOS(互补式金属氧化物半导体) 技术，已完成技术验证、进入量产，并将持续推进 16 纳米 STT-MRAM 开发，以支持下世代嵌入式存储 MCU、车用电子元件、物联网及人工智能等多项新应用。

据研调机构 Yole Développement 指出，到 2024 年，STT-MRAM 市场规模可望达到 18 亿美元，其中嵌入式方案产值约 12 亿美元、独立元件约 6 亿美元。未来几年，虽然 DRAM 与 NAND Flash 将持续站稳存储市场主导地位，但随着各家半导体大厂相继投入发展，成本也将逐步下降，进一步提升 MRAM 的市场普及率。

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