郵箱：2645963284@qq.com
手機：15339537795
郵箱：2645963284@qq.com
手機：15339537795
M 是一種非易失性存儲技術，通過磁致電阻的變化來表示二進制中的 0 和 1，從而實現數據的存儲。由于產品本身具備非易失性，讓其在斷電情況下依然可以保留數據信息，并擁有不遜色于 DRAM 內存的容量密度和使用壽命，平均能耗也遠低于 DRAM。
被大廠看好的未來之星，非它莫屬。
目前三星仍然是全球專利第一，2002 年三星宣布研發 MRAM，2005 年三星率先研究 STT-MRAM，但是此后的十年間，三星對 MRAM 的研發一直不溫不火，成本和工藝的限制，讓三星的 MRAM 研發逐漸走向低調。2014 年，三星與意法半導體簽訂 28nmFD-SOI 技術（一種與 FinFET 齊名的技術）多資源制造全方位合作協議，授權三星在芯片量產中利用意法半導體的 FD-SOI 技術。當年，三星成功生產出 8MbeMRAM，并利用 28nmFDS，在 2019 年成功量產首款商用 eMRAM。2020 年，三星首批基于 eMRAM 的商用產品上市，由其制造的 Sony GPS SoCs(28nm FDSOI) 被用于華為的智能手表，以及由臺積電采用 22nm 超低漏電制程 (ULL) 制造的 Ambiq 低功耗 MCU。
2022 年 12 月，三星在著名的微電子和納米電子會議 IEEE 國際電子器件會議 (IEDM) 上發表了一篇題為"面向非易失性 RAM 應用的全球最節能 MRAM 技術"的論文。該論文介紹了基于三星 28 納米和 14 納米邏輯工藝節點的面向非易失性 RAM 的產品技術。作為對該論文所分享的杰出研究和突破性成果的認可，該論文被選為 IEDM 存儲器類別的亮點論文。憑借這一認可，三星達到了一個新的里程碑。
具體而言，增強型磁隧道結（MTJ）堆棧工藝技術大幅降低了寫入錯誤率（WER）。此外，MTJ 還從以前的 28 納米節點提升到 14 納米 FinFET 工藝，實現了 33% 的面積縮放。這種芯片級尺寸允許在同一晶圓上生產更多芯片，從而產生更多的凈芯片。此外，它還使讀取周期時間縮短了 2.6 倍，16Mb 的封裝尺寸也縮小到了 30 平方毫米，是目前業界最小的商用尺寸。該解決方案在-25°C 溫度條件下可提供超過 1E142 個周期的近乎無限的耐用性。不過，最重要的成就可能還是同類最佳的能效，在 54MB/s 帶寬條件下，主動讀取和寫入功耗分別為 14mW 和 27mW。
三星電子 eMRAM 的兩大新成就是開關效率提高和 MTJ 擴展。開關效率是衡量 eMRAM 性能的關鍵指標。例如在 8Mb 陣列上重復進行的單位 WER 測試結果表明，芯片中的 WER 分布降低了 20%。通過應用 MTJ 堆棧工程，可以驗證 WER 達到個位數 ppb5 水平。
eMRAM 的第二大成就是改進了 MTJ 擴展。在 eMRAM 架構中，由于開關電流與 MTJ 位面積成正比，因此有必要減小 MTJ 的尺寸，以降低每個位的寫入能量。然而，在 MTJ 縮放過程中，由于單元電阻的增加和變化，耐久性和讀取裕度都會下降。在創新和獨創性方面，三星的研究團隊對隧道勢壘工藝進行了重大改進，將電阻面積減少了 25%，短故障率降低了 2.75 倍。與閃存型 eMRAM 相比，通過將 MTJ 的尺寸縮小 25%，降低了 NVM 型 eMRAM 的有源寫入電流，同時還確保了 MTJ 尺寸控制所需的足夠制造余量。
三星目標是到 2026 年實現 8 納米制程，到 2027 年實現 5 納米制程。
MTJ 在后端（BEOL）金屬布線工藝之間形成，不會影響邏輯基線，從而使 MRAM 能夠在 MTJ 工藝變化最小的情況下縮減到 FinFET 節點。利用這一優勢，三星正在從 28 納米 eMRAM 技術升級到 14 納米 FinFET 工藝。這種 14 納米 eMRAM 目前正在開發中，符合 AEC-Q1007Grade1 標準（汽車半導體可靠性測試的全球標準）。目標是在 2024 年之前完成開發。
此前三星披露了其開發業界首個 5 納米 eMRAM 的計劃。除了到 2024 年推出 14 納米 eMRAM 之外，該公司還計劃到 2026 年和 2027 年分別推出 8 納米和 5 納米 eMRAM，進一步擴大其 eMRAM 產品組合。與 14 納米工藝相比，8 納米 eMRAM 的密度預計將提高 30%，速度提高 33%。
這項內存技術有望引領電動汽車和自動駕駛汽車時代的到來。
在過去幾年里，包括臺積電、英特爾、三星、SK 海力士等晶圓代工廠和 IDM，相繼大力投入 MRAM 研發。
EETimes 發布一份報告顯示，英特爾自主研發的商用 MRAM(磁阻隨機存取存儲器) 已經做好大批量生產的準備。提交這篇論文的英特爾工程師 Ligiong Wei 表示：「英特爾嵌入式 MRAM 技術可在 200 攝氏度下實現長達 10 年的記憶期，并可在超過 100 萬個開關周期內實現持久性。由于具有省電的特性，英特爾的嵌入式 MRAM 很有可能率先用在移動設備上，例如物聯網 (IoT) 之類的設備商應用，通海還能搭上 5G 世代的列車。」
成本更低、能耗更低、非揮發性且抗輻射
片上系統 (SoC) 嚴重依賴 SRAM 技術來高速訪問常用數據。SRAM 無處不在：可能每個 SoC、ASSP 和處理器都使用 SRAM，并且對于許多設備（尤其是處理器）來說，大部分芯片總面積可能被 SRAM 占據。
性能是 SRAM 的主要優勢，但它是以犧牲芯片面積和功耗為代價的。與大多數其他類型的存儲器相比，SRAM 存儲器非常大：對于相同的位數，SRAM 比 DRAM 大 20-30 倍，可能比閃存大 100 倍以上。SRAM 的速度、靈活性以及與 CMOS 工藝的輕松集成帶來了顯著的芯片成本損失。
SRAM 的另一個弱點是漏電，這會導致待機功耗。對于電池供電的物聯網 (IoT) 設備來說，高待機功耗可能是一個大問題，因為許多設備大部分時間都處于閑置狀態。如果電池在閑置期間耗盡，電池壽命就會受到嚴重影響。考慮到這一點，SRAM 的性能是以高昂的成本為代價的。
此外，使用 SRAM 的嵌入式系統必須在系統進入睡眠狀態時存儲所有持久數據。代碼和用于在啟動時配置或個性化系統的數據也需要存儲。閃存非易失性存儲器 (NVM) 傳統上擔任此角色，但閃存技術具有顯著的寫入、讀取和擦除限制，增加了系統的復雜性。
多年來，半導體行業一直在努力尋找一種可以取代 SRAM 并消除對 NVM 需求的存儲技術；然而，直到最近，還沒有找到合適的替代內存技術。許多候選人來了又走，受到費用、復雜性或許多其他問題的困擾，使他們不適合商業生產。然而，一種這樣的替代技術即將在 SRAM 上取得進展：MRAM。
MRAM，即磁阻 RAM，是一種新興的持久性存儲器技術，已實現商業化生產。與 SRAM 和傳統 NVM 相比，它具有以下主要優點：
與 SRAM 一樣，它是可字節尋址的，但與 NVM 不同。
性能與 SRAM 相當，遠高于 NVM。
MRAM 的耐用性可以與 SRAM 相匹配，而 SRAM 的耐用性比 NVM 高出許多數量級。
MRAM 沒有與 NVM 相關的復雜缺點，例如扇區擦除和磨損均衡。
雖然這些特性使 MRAM 與 SRAM 更加接近，但 MRAM 與 SRAM 之間有四個關鍵特性：成本、漏電流、非易失性和抗輻射性。考慮到這四個因素，MRAM 抓住了 SRAM 和 NVM 技術的最佳特性，同時避免了很多缺點。
成本不到 SRAM 的一半
MRAM 塊的大小約為等效 SRAM 塊的三分之一。
無晶圓廠公司通常依賴其代工廠或專業內存供應商提供 SRAM 塊，而代工廠會嚴格優化其 SRAM 位單元，將其視為關鍵知識產權。不根據所需的整體性能，而是特別根據該節點可用的 SRAM 技術來選擇技術節點的情況并不罕見。如果 SRAM 要求規定了比電路其余部分要求更激進的節點（特別是不跨節點擴展的電路，例如模擬或高壓電路），那么芯片成本可能會大幅上升。顯示驅動器 IC 是這種現象的一個典型例子。
SRAM 的主要問題是位單元的大小——即使代工廠對其進行了高度優化。SRAM 位單元使用六到八個晶體管。甚至還有所謂的「非易失性 SRAM」單元需要 12 個晶體管，這使得它們超出了任何不惜任何代價對持久性有強烈需求的應用的成本范圍。
隨著技術節點的進步，SRAM 的大小問題越來越突出。
相比之下，MRAM 在其存儲單元中使用單個晶體管。該晶體管與提供存儲的磁阻結構相結合，因此存儲器陣列內不需要其他支持晶體管。因此，包括外圍電路在內的完整 MRAM 存儲塊的大小約為等效 SRAM 塊的三分之一，或者小三分之二。這種關系在更先進的節點上會變得更加明顯——也就是說，MRAM 的大小可能是 SRAM 的四分之一，在 10 納米或更小的節點上甚至可能更小。
此特性的關鍵是磁阻元件，稱為磁隧道結（或 MTJ）。與 SRAM（純 CMOS）相比，它需要三個額外的處理步驟。這就形成了一種微妙的成本動態：這些額外的步驟使整體晶圓成本增加了 5-11%，但芯片尺寸的節省卻非常可觀，特別是對于大量使用 SRAM 的設計，以至于用 MRAM 替換 SRAM 會導致顯著降低模具成本。
由于物理極限，半導體的制程微縮已經漸至瓶頸，經過多年發展的 DRAM 內存和 NAND 閃存已經難有潛力再挖。作為新興技術的 MRAM 則擁有很多發展空間。除了英特爾，臺積電在去年也傳出有一重啟 MRAM 產品的研發計劃。
到目前為止，多種存儲器介質被研究用于構建存算一體系統，包括基于電荷存儲原理的傳統存儲器和基于電阻存儲原理的新型存儲器。傳統存儲器主要包括 SRAM、DRAM 和 Flash。其中 SRAM 和 DRAM 是易失性器件，頻繁的刷新并不利于降低功耗。而 Flash 雖然是非易失性的，但是隨著讀寫次數增加，浮柵氧化層會逐漸失效，反復讀寫可靠性很低。因此，各種基于電阻改變的新型存儲器是實現存算一體的有效載體。
YoleDevelopment 分析稱，到 2024 年，MRAM 的市場規模將增加 40 倍，制造工藝將減少到 16nm，存儲容量則會從 1Gbit 增加到 8Gbit。2018 年至 2024 年間，MRAM 市場規模將以年均 85％的速度增長，到 2024 年將達到 17.8 億美元。現在已經較為成熟的 eMRAM 在 2026 年市場規模將達到約 17 億美元，相當于整個新興 eNVM 市場的 76% 左右。
MRAM 在工業應用中也有廣闊的前景，分析師表示，工業應用程序需要具有非常快的寫入能力，且需要非易失性存儲，但 NAND 閃存、NOR 閃存和 EEPROM 的寫入速度都非常慢，并且消耗大量電力，而額外搭配電池的 SRAM，每隔幾年就需要更換電池，對比之下 MRAM 更為合適。
隨著汽車的電子化，對滿足汽車惡劣駕駛環境、快速耐用的非易失性解決方案的需求正在逐漸增加。MRAM 具有近乎無限的耐久性及高可靠性，是能夠滿足電子應用程序中這種市場需求的非易失性存儲器，最為理想。2022 年，瑞薩電子宣布推出 STT-MRAM 測試芯片，其表示，與采用 FEOL 制造的閃存相比，在 22nm 以下工藝中，采用 BEOL 制造的 MRAM 具有優勢，因為它與現有 CMOS 兼容邏輯工藝技術，并且對額外掩模層的需求更小。
客服