如何拥抱下一代存储器MRAM
发布日期：2019-10-12
MRAM（Magnetoresistance Random Access Memory）是利用以奈米级磁性结构特有的自旋相关传输为基础的磁电阻效应所得到的一种新颖的非挥发性固态磁存储器。随着自旋隧道结(Magnetic Tunneling Junction) 较大的穿隧磁电阻（TMR）技术日渐成熟，研究人员对于MRAM的期待愈来愈大。
MRAM结构图
与其他存储技术相比，MRAM在速度、面积、写入次数和功耗方面能够达到较好的折中，因此被业界认为是构建下一代非易失性缓存和主存的潜在存取器件之一。
各类存储器的性能比较
MRAM的发展历程
MRAM最早可以上推到1955年问世的磁芯记忆体(Magnetic Core Memory)，虽然结构不同，但资料读写的机制基本上与现在的磁性记忆体是一样的。
1988年时，欧洲科学家Albert Fert与Peter Grunberg发现了薄膜结构中存在巨磁阻效应(Giant Magnetoresistive Effect)，为现代的MRAM发展奠定基础。1996年，IBM科学家 John Slonczewski 发明了 the ST-MRAM 并且在学术杂志Journal of Magnetism and Magnetic Materials发表论文 “Current-driven excitation of magnetic multilayers”。
之后摩托罗拉半导体部门、飞思卡尔、IBM、英飞凌、Cypress、瑞萨等业者，以及目前的DRAM三巨头三星、SK海力士与美光均曾陆续投入研发MRAM的行列。
发展到当下，市场上则形成了Everspin这样的独立MRAM供应商和GlobalFoundries 、台积电、三星、联电等晶圆代工厂商投身嵌入式 MRAM 的格局。
STT-MRAM：最有希望的下一代存储器
MRAM性能的提升，得益于磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）的隧穿磁阻（Tunnel Magnetoresistance，TMR）值不断提高。
基于TMR和巨大隧穿磁阻（Giant TRM，TMR＞100%）效应，总共衍生出两代主要的MRAM器件类型：第一代是磁场驱动型MRAM，即通过电流产生的磁场驱动存储单元的磁矩进行写入操作，典型代表有星型MRAM（astroid-MRAM）和嵌套型MRAM（toggle-MRAM）；第二代是电流驱动型自旋转移矩MRAM（Spin Transfer Torque MRAM，STT-MRAM），即通过极化电流对存储单元进行写入操作。
STT-MRAM的MJT细胞
STT-MRAM的存储单元也是MTJ+一个晶体管。不过，MTJ的自旋方向是上下，而不是左右；另外，它写入方式与Toggle MRAM不同，STT-MRAM使用自旋极化的电流来控制最上层的自旋方向。与Toggle MRAM相比，STT-MRAM具有速度更快、更加节能、集成度更高的特点。
MRAM不是只存在实验室，Everspin公司第一代产品已经实现量产，第二代产品也已开始试产。相比于第一代，最新的第二代STT-MRAM用上了GlobalFoundries 28nm制造工艺，封装于DDR4，支持8-bit或者16-bit界面，传输率1333MT/s(667MHz)，容量增大到了1Gb(128MB)，翻了两翻。Everspin计划下一步应用GlobalFoundries 22nm FD-SOI工艺，进一步提升STT-MRAM的性能和容量。同样的，英特尔、三星也在积极布局嵌入式MRAM技术，三星在 28nm FDSOI 平台上描述了 STT-MRAM，英特尔在其 22 FFL 工艺中描述了 STT-MRAM非易失性存储器的关键特性，称其为“首款基于 FinFET 的 MRAM 技术”。
Everspin的STT-MRAM产品
MRAM发展难题与机遇
与MRAM相比，STT-MRAM器件更快，更高效且更容易缩小。与传统内存技术相比，STT-MRAM器件不仅能兼顾MRAM的性能，还能够满足低电流的同时并降低成本。基于以上优势，STT-MRAM被视为是可以挑战DRAM和SRAM的高性能存储器，并有可能成为领先的存储技术。尤其是在40nm以下工艺节点上，NOR开始暴露出很多问题，STT-MRAM被寄予厚望。市场认为，STT-MRAM不仅在40nm节点下可以被利用，甚至可以扩展到10nm以下应用。更值得注意的是，STT-MRAM可基于现有的CMOS制造技术和工艺发展，在技术上进行接力的难度相对较小，从而，可以直接挑战闪存的低成本。
理想很丰满，现实很骨感。随着技术规模的缩小，STT-MRAM遭受严重的工艺变化和热波动，这极大地降低了STT-MRAM的性能和稳定性。对于大多数商业应用来说，STT-MRAM的道路依旧充满艰难险阻。
从结构上看，STT-MRAM存储单元的核心是一个MTJ，也就是STT-MRAM是通过MTJ来存储数据。通常情况下，MTJ是由两层不同厚度的铁磁层及一层几个纳米厚的非磁性隔离层组成，它是是通过自旋电流实现信息写入的。写入信息时需要较大的电流产生磁场使?MTJ?自由层磁矩发生反转。随着存储单元的尺寸减小，需要更大的自由层磁矩反转磁场，因此也需要更大的电流。但是，大电流不仅增加了功耗，也使得变换速度减慢，限制了存储单元写入信息的速度。
尽管如此，STT-MRAM的发展脚步毫无减缓的迹象，并瞄准两大应用领域，分别是嵌入式存储器和独立存储器。目前有些厂商专注于发展嵌入式MRAM。举个例子来说明其重要性，通常微控 制 器（MCU）会在同一芯片上整合多种元件，例如运算单元、SRAM和嵌入式快闪存储器。而这种嵌入式快闪存储器具备NOR的非挥发特性，这种NOR快闪存储器通常都用来作为程式代码的储存用途。
目前业界已推出采用嵌入式NOR快闪存储器的28纳米MCU产品，至于研发阶段的已有厂商开始采用16nm或14nm的芯片。然而有些专家认为要在28nm以下制程范围来扩展嵌入式NOR快闪存储器有其困难，许多人认为28nm或22nm将成为这种快闪存储器的极限，原因在于过高的成本将限 制其市场接受度。
而这就是嵌入式STT-MRAM适用的地方。它适用于取代28nm或22nm甚至以上的嵌入式NOR快闪存储器。除了这个优点之外，STT-MRAM还可以替代或增强MCU、微处理器或SoC系统中的SRAM。
目前MRAM有三个主要的应用市场，一个是用来作为嵌入式存储器，MRAM的特性非常适合用来作为嵌入式存储器，特别是在嵌入或整合在MCU中。此外，高密度的MRAM则适用于来作为系统暂存存储器、加速NAND快闪存储器，或者作为SRAM应用的替代品。在未来，MRAM甚至很可能用来取代DRAM。MRAM很适合用来作为企业客户的关键型任务应用程序，其中可针对包括功率损耗和档案遗失等问题加以解决，因为这些问题一旦发生都可能严重影响客户端的使用状况。
而MRAM和其他的下一代存储器，也都被视为是适合用于机器学习的储存技术。在今天，机器学习系统多半使用的是传统的存储器，这对于功率的消耗非常严重。根据研究指出，机器学习过程，很大一部分的功率是消耗在简单的数据移动过程中，而不是实际的运算功能。针对机器学习的过程，任何性能的提升，都有助于改善机器学习的能力。因此，与现有的DRAM产品相较之下，任何功耗的降低，和技术的持久稳定性，都将有助于提升机器学习的整体效能。