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嵌入式存储器的救赎-MRAM

  • 林育中
MRAM从1995年进入研发领域的雷达,在芯片上面积的占比已越来越高。GlobalFoundries

嵌入式存储器是逻辑制程中不可或缺的一环,过去却往往让人忽略。但是逻辑制程推进日益艰辛,嵌入式存储器制程推进的难处全浮上台面。主要是存储器与主要的CMOS制程差距甚大,而单独(stand alone)的存储器与嵌入式存储器的制程又不尽相同,无可借力,因此发展额外吃力。

但是正因为嵌入式存储器发展迟缓,它在芯片上面积的占比越来越高,引起注意。先是eFlash,eFlash当然是NOR Flash,是微处理器、微控制器中通常用来储存程序码的地方。到了40nm/28nm,有些应用中eFlash面积可能占芯片面积的30%,快要反客为主了。而20nm以下,eFlash的微缩更加困难-事实上,独立的NOR Flash现在最先进制程也不过45nm。兼之制程复杂,eFlash制程要于原本逻辑制程上外加9~12道光罩,写入速度缓慢,又不耐久,需要替代工艺。

大部分代工厂在28nm这一技术节点,普遍都提出eMRAM此一菜单。eMRAM的制程和MRAM相似,加在逻辑制程中只需额外3道光罩,面积大概在50平方特征尺寸(feature size),速度快又耐用,资料存留10年,替代的理所当然。

eDRAM在40nm以下原来已被放弃,但在「全空乏绝缘上覆矽」(Fully Depleted Silicon On Insulator;FD-SOI)技术出来后似有复起之势,用来替代逻辑线路中部分的SRAM,降低面积和功耗。但是独立DRAM制程推进已十分吃力,至十几nm已经非常艰困,而它的电容器因底面积缩小必须堆高以维持一定电容,这个与周遭的逻辑制程格格不入,MRAM此时又出来救援。

MRAM的刻板印象是永久存储器,但是若愿意降低其资料存留时间,则其写入时间可以加快、写入电流降低,这就活生像DRAM了。事实上,在eMRAM的写入速度降到如DRAM的10ns时,其资料存留时间还有将近1天,也就是说eMRAM不必像DRAM时时需要资料更新(refresh),因此同时节省大量更新电流所造成的功耗。5~7nm的世代,以eMRAM来做为中央处理器的L3高速缓存(cache)已经近乎定案。

SRAM的问题最棘手。目前有些SoC中的SRAM已占芯片面积50%以上,而且情况持续恶化之中。16nm FINFET制程中SRAM的单元面积约为275平方特征尺寸,预计到3nm时单元面积成长至约为675平方特征尺寸,在芯片面积中的占比会更高。这里面有一部分的问题因为以eMRAM来做为L3高速缓存得到缓解,但是eMRAM的写入速度能不能再高?写入电流能不能再降?这是eMRAM能不能迈向取代L2高速缓存的关键。这个问题,我持审慎乐观的态度。

MRAM从1995年进入研发领域的雷达,现在于嵌入式存储器算是建立桥头堡了。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。