本月初，三星宣布已開始量產(chǎn)新一代存儲器MRAM。詳細(xì)來看，三星是在一條28nm FD-SOI工藝的產(chǎn)線量產(chǎn)嵌入式MRAM（eMRAM）解決方案。那么MRAM相較傳統(tǒng)存儲器有什么優(yōu)點，三星量產(chǎn)又將給存儲也帶來怎樣的變局？
三星量產(chǎn)eMRAM的報道 來源：MRAM-Info
MRAM：有望替代DRAM的新一代內(nèi)存
磁阻式隨機(jī)存取存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)作為非易失性存儲器，并不像一般的RAM芯片以電荷的形式存儲數(shù)據(jù)，它是以磁存儲元件進(jìn)行存儲。實際上除了三星以外，全球研發(fā)、生產(chǎn)的MRAM半導(dǎo)體公司并不少。隨著技術(shù)的不斷提升，MRAM也很有潛力最終替代DRAM。
MRAM最基本的存儲結(jié)構(gòu)為MTJ（下圖），其中最上面的磁層可產(chǎn)生自旋變化，方向可以向左或向右，而底下的磁層的自旋方向則是固定的，兩個磁層之間由隧穿層區(qū)分。
MTJ結(jié)構(gòu)原理 來源：Everspin
在讀取數(shù)據(jù)的時候，通過測量所得到的電流，可以確定任何特定單元內(nèi)的電阻，并從此確定此MTJ的磁化極性。如果兩個磁層具有同向的磁性，那么MTJ的電阻就低，則表示為“1”，而如果兩個磁層磁化方向相反，那么MTJ的電阻就高，則表示為“0”。通過這樣的二進(jìn)制變化，MTJ就可以存儲1bit的數(shù)據(jù)。
相比現(xiàn)在主流的DRAM和SRAM，MRAM的寫入速度不落下風(fēng)（下圖），且由于MTJ上磁層自旋固定，不用一直通電，因此能耗水平要比前兩者更低。在2016年，三星與IBM聯(lián)合開發(fā)了一款11納米pMTJ的MRAM，它可以僅用7.5微安的電流驅(qū)動。在全球降低碳排放的背景下，如果MRAM能夠大范圍應(yīng)用，確實有利于環(huán)保。
多種存儲器寫入壽命與讀取時間的對比 來源：Everspin
看準(zhǔn)未來機(jī)遇 諸多企業(yè)競逐MRAM
前面提到，除了此次宣布量產(chǎn)的三星之外，還有多家半導(dǎo)體企業(yè)在MRAM領(lǐng)域投入精力。其中，具有代表性的有IBM、Everspin等。
IBM作為MRAM的最早研發(fā)者，極大推動了第一代Toggle MRAM和第二代STT-MRAM的研發(fā)。就原理來講，這兩代都基于MTJ結(jié)構(gòu)，相比Toggle MRAM，ST-MRAM的集成度更高，且讀寫壽命近乎無限，能夠適應(yīng)更多的場景。
迄今在半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)，Everspin是唯一一家能夠大批量提供商用MRAM的企業(yè)，現(xiàn)在可以提供容量從128Kb到256Mb的MRAM芯片。目前這些MRAM主要用于工業(yè)、航空航天及汽車電子等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。
不過，當(dāng)前MRAM作為一種獨立的存儲器，其性價比還不高，尚無法打入主流的消費電子業(yè)，更無法撼動DRAM、SRAM的地位。如果集成度更高的嵌入式MRAM（eMRAM）能夠順利走向市場，那么當(dāng)前以DRAM和NAND為主的存儲器版圖就很可能被撼動。
就eMRAM自身來說，它既可采用體硅工藝（包含平面結(jié)構(gòu)和FinFET）制造，也可采用FD-SOI工藝制造，因此不光是三星，像臺積電、英特爾等老牌半導(dǎo)體企業(yè)都已加入eMRAM戰(zhàn)團(tuán)，以擴(kuò)大業(yè)務(wù)版圖，占領(lǐng)未來先機(jī)。
前期，臺積電宣布了自己進(jìn)軍MRAM的計劃，按規(guī)劃是以22nm制程生產(chǎn)。而在去年的第 64 屆國際電子器件會議上，英特爾也展示了自家用22nm FinFET工藝打造的STT-MRAM。比起現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入1x nm時代的DRAM，MRAM并不吃制程，其量產(chǎn)對半導(dǎo)體廠商并不構(gòu)成壓力，有利于普及。
手握FD-SOI王牌 三星競爭力很強(qiáng)
與英特爾遙相輝映，三星于同期也展示了其基于28nm FD-SOI工藝的 STT-MRAM?？傮w而言FD-SOI在性能及功耗的表現(xiàn)可與體硅FinFET相比擬，但由于前者晶體管結(jié)構(gòu)更簡單，因此成本更低，具有性價比優(yōu)勢。
目前，F(xiàn)D-SOI工藝的最大玩家當(dāng)屬三星和格羅方德，兩家也都有打算將此工藝用于MRAM領(lǐng)域。然而開年以來格羅方德就陷入艱難境地，出售了一座工廠。至于更遠(yuǎn)的未來，外界廣泛猜測三星將會接下格羅方德，其理由在于三星可藉此增加晶圓代工的市場份額，進(jìn)而縮小跟臺積電的差距。
除了格羅方德，現(xiàn)在也有消息稱三星將收購汽車電子大廠恩智浦。在全球半導(dǎo)體特別是存儲器產(chǎn)業(yè)走跌的背景下，收購恩智浦也確實有助于三星完善自身競爭力，特別是擺脫長期以來過于依賴存儲器的尷尬。
目前，三星持有現(xiàn)金總額高達(dá)104萬億韓元（約900億美元），足夠其展開一輪大并購了。況且現(xiàn)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入衰退周期，三星不論是投產(chǎn)eMRAM還是并購企業(yè)，均可看做宏觀上的“逆周期投資”，意在先播種，再收獲。
綜合看，三星憑借以往在存儲器領(lǐng)域積累的家底，再加上FD-SOI的加持，日后或許在eMRAM領(lǐng)域會展現(xiàn)出很強(qiáng)的競爭力。然而，新一代存儲器也不止MRAM一種，諸如FRAM、ReRAM、3DX-Point等都有能可能崛起。在未來，存儲器領(lǐng)域的競爭將復(fù)雜化，眾多半導(dǎo)體廠商也都會找到自身定位，展開角逐。
