近年來，在人工智能（AI）、5G等推動下，以MRAM（磁阻式隨機(jī)存取存儲器）、鐵電隨機(jī)存取存儲器 (FRAM)、相變隨機(jī)存取存儲器（PRAM），以及可變電阻式隨機(jī)存取存儲器（RRAM）為代表的新興存儲技術(shù)逐漸成為市場熱點(diǎn)。這些新技術(shù)吸引各大晶圓廠不斷投入，最具代表性的廠商包括臺積電、英特爾、三星和格芯（Globalfoundries）。
那么，這些新興存儲技術(shù)為什么會如此受期待呢？主要原因在于：隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)持續(xù)朝更小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)，傳統(tǒng)的DRAM和NAND Flash面臨越來越嚴(yán)峻的微縮挑戰(zhàn)，DRAM 已接近微縮極限，而NAND Flash則朝3D方向轉(zhuǎn)型。
此外，傳統(tǒng)存儲技術(shù)在高速運(yùn)算上也遭遇阻礙，處理器與存儲器之間的“墻”成為了提升運(yùn)算速度和效率的最大障礙。特別是AI的發(fā)展，數(shù)據(jù)需求量暴增，“墻”的負(fù)面效應(yīng)愈加突出，越來越多的半導(dǎo)體廠商正在加大對新興存儲技術(shù)的研發(fā)和投資力度，尋求成本更佳、速度更快、效能更好的存儲方案。
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屬于非易失性存儲技術(shù)，是利用具有高敏感度的磁電阻材料制造的存儲器，斷電時，MRAM儲存的數(shù)據(jù)不會丟失，且耗能較低，讀寫速度快，可媲美SRAM，比Flash速度快百倍，在存儲容量方面能替代DRAM，且數(shù)據(jù)保存時間長，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，后者則采用自旋極化電流驅(qū)動。
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。
諸神爭霸
在過去幾年里，包括臺積電、英特爾、三星、格芯等晶圓代工廠和IDM，相繼大力投入MRAM 研發(fā)，而且主要著眼于STT-MRAM，也有越來越多的嵌入式解決方案誕生，用以取代Flash、EEPROM和SRAM。
臺積電
早在2002年，臺積電就與中國臺灣地區(qū)工研院簽訂了MRAM合作發(fā)展計(jì)劃。近些年，該公司一直在開發(fā)22nm制程的嵌入式STT-MRAM，采用超低漏電CMOS技術(shù)。
2018年，臺積電進(jìn)行了eMRAM芯片的“風(fēng)險生產(chǎn)”，2019年生產(chǎn)采用22nm制程的eReRAM芯片。
2019年，臺積電在嵌入式非易失性存儲器技術(shù)領(lǐng)域達(dá)成數(shù)項(xiàng)重要的里程碑：在40nm制程方面，該公司已成功量產(chǎn)Split-Gate（NOR）技術(shù)，支持消費(fèi)類電子產(chǎn)品應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)、智慧卡和MCU，以及各種車用電子產(chǎn)品。在28nm制程方面，該公司的嵌入式快閃存儲器支持高能效移動計(jì)算和低漏電制程平臺。
在ISSCC 2020上，臺積電發(fā)布了基于ULL 22nm CMOS工藝的32Mb嵌入式STT-MRAM。該技術(shù)基于臺積電的22nm ULL（Ultra-Low-Leakage）CMOS工藝，具有10ns的極高讀取速度，讀取功率為0.8mA/MHz/bit。對于32Mb數(shù)據(jù)，它具有100K個循環(huán)的寫入耐久性，對于1Mb數(shù)據(jù)，具有1M個循環(huán)的耐久性。它支持在260°C下進(jìn)行90s的IR回流焊，在150°C下10年的數(shù)據(jù)保存能力。它以1T1R架構(gòu)實(shí)現(xiàn)單元面積僅為0.046平方微米，25°C下的32Mb陣列的漏電流僅為55mA。
目前，臺積電已經(jīng)完成22nm嵌入式STT-MRAM技術(shù)驗(yàn)證，進(jìn)入量產(chǎn)階段。在此基礎(chǔ)上，該公司還在推進(jìn)16 nm 制程的STT-MRAM研發(fā)工作。
除了MRAM，臺積電也在進(jìn)行著ReRAM的研發(fā)工作，并發(fā)表過多篇基于金屬氧化物結(jié)構(gòu)的ReRAM論文。
本周，臺灣地區(qū)工研院電光所所長吳志毅表示，由于新興存儲技術(shù)將需要整合邏輯制程技術(shù)，因此現(xiàn)有存儲器廠商要卡位進(jìn)入新市場，門檻相對較高，而臺積電在這方面具有先天優(yōu)勢，因?yàn)樵摴緭碛泻軓?qiáng)的邏輯制程生產(chǎn)能力，因此，臺積電跨入新興存儲市場會具有競爭優(yōu)勢。
據(jù)悉，臺灣地區(qū)工研院在新興存儲技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)投入已超過10年，通過元件創(chuàng)新、材料突破、電路優(yōu)化等方式，開發(fā)出了更快、更耐久、更穩(wěn)定、更低功耗的新一代存儲技術(shù)，目前，正在與臺積電在這方面進(jìn)行合作。未來，臺積電在新興存儲器發(fā)展方面，工研院將會有所貢獻(xiàn)，但具體內(nèi)容并未透露。
三星
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)，到了2014年，生產(chǎn)出了8Mb的eMRAM。
三星Foundry業(yè)務(wù)部門的發(fā)展路徑主要分為兩條，從28nm節(jié)點(diǎn)開始，一條是按照摩爾定律繼續(xù)向下發(fā)展，不斷提升FinFET的工藝節(jié)點(diǎn)，從14nm到目前的7nm，進(jìn)而轉(zhuǎn)向下一步的5nm。
另一條線路就是FD-SOI工藝，該公司還利用其在存儲器制造方面的技術(shù)和規(guī)模優(yōu)勢，著力打造eMRAM，以滿足未來市場的需求。這方面主要采用28nm制程。
三星28nm制程FD-SOI（28FDS）嵌入式NVM分兩個階段。第一個是2017年底之前的電子貨幣風(fēng)險生產(chǎn)，第二個是2018年底之前的eMRAM風(fēng)險生產(chǎn)。并同時提供eFlash和eMRAM（STT-MRAM）選項(xiàng)。
該公司于2017年研制出了業(yè)界第一款采用28FDS工藝的eMRAM測試芯片。
2018年，三星開始在28nm平臺上批量生產(chǎn)eMRAM。2019年3月，該公司推出首款商用eMRAM產(chǎn)品。據(jù)悉，eMRAM模塊可以通過添加三個額外的掩膜集成到芯片制造工藝的后端，因此，該模塊不必要依賴于所使用的前端制造技術(shù)，允許插入使用bulk、FinFET或FD-SOI制造工藝生產(chǎn)的芯片中。三星表示，由于其eMRAM在寫入數(shù)據(jù)之前不需要擦除周期，因此，它比eFlash快1000倍。與eFlash相比，它還使用了較低的電壓，因此在寫入過程中的功耗極低。
2018年，Arm發(fā)布了基于三星28FDS工藝技術(shù)的eMRAM編譯器IP，包括一個支持18FDS (18nm FD-SOI工藝)的eMRAM編譯器。這一平臺有助于推動在5G、AI、汽車、物聯(lián)網(wǎng)和其它細(xì)分市場的功耗敏感應(yīng)用領(lǐng)域的前沿設(shè)計(jì)發(fā)展。
2019年，三星發(fā)布了采用28FDS工藝技術(shù)的1Gb嵌入STT-MRAM?；诟叨瓤煽康膃MRAM技術(shù)，在滿足令人滿意的讀取，寫入功能和10年保存時間的情況下，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)一的存儲器測試和修復(fù)IP。
Globalfoundries
2017年，時任Globalfoundries首席技術(shù)官的Gary Patton稱，Globalfoundries已經(jīng)在其22FDX（22nm制程的FD-SOI工藝技術(shù)）制程中提供了MRAM，同時也在研究另一種存儲技術(shù)。
由于Globalfoundries重點(diǎn)發(fā)展FD-SOI技術(shù)，特別是22nm制程的FD-SOI，已經(jīng)很成熟，所以該公司的新興存儲技術(shù)，特別是MRAM，都是基于具有低功耗特性的FD-SOI技術(shù)展開的。
今年年初，Globalfoundries宣布基于22nm FD-SOI 平臺的eMRAM投入生產(chǎn)。該eMRAM技術(shù)平臺可以實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)保持在-40°C至+125°C的溫度范圍內(nèi)，壽命周期可以達(dá)到100,000，可以將數(shù)據(jù)保留10年。該公司表示，正在與多個客戶合作，計(jì)劃在2020年安排多次流片。
據(jù)悉，該公司的eMRAM旨在替代NOR閃存，可以定期通過更新或日志記錄進(jìn)行重寫。由于是基于磁阻原理，在寫入所需數(shù)據(jù)之前不需要擦除周期，大大提高了寫入速度，宏容量從4-48Mb不等。
英特爾
英特爾也是MRAM技術(shù)的主要推動者，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，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。
結(jié)語
由于市場需求愈加凸顯，且有各大晶圓廠大力投入支持，加快了以MRAM為代表的新興存儲技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。未來幾年，雖然DRAM和NAND Flash將繼續(xù)站穩(wěn)存儲芯片市場主導(dǎo)地位，但隨著各家半導(dǎo)體大廠相繼投入發(fā)展，新興存儲器的成本將逐步下降，可進(jìn)一步提升 MRAM等技術(shù)的市場普及率。
