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嵌入式MRAM和独立式MRAM要分流了!

  • 林育中

MRAM的嵌入式和独立式存储器会开始分流,而未来MRAM有没有机会替代DRAM,也可拭目以待。Pixabay

几乎所有的新兴存储器出道时都宣称与CMOS制程兼容,意思是可以做逻辑制程的嵌入式存储器。这意味著开发一种存储器技术可以一鱼两吃,适用于嵌入式和独立式存储器。但是从历史的发展来看,这样的一厢情愿最后很难坚持,像eDRAM几乎很少用过,eFlash最终停留在65nm,很难与逻辑制程一起微缩,而且此时的嵌入式存储器制程与独立式存储器制程早已大相迳庭了!

MRAM在嵌入式存储器先驰得点,在28/22 nm中成为eFlash的替代,在7/5 nm世代也成为L3 cache的替代。能当成替代,自然在读写速度、功耗、单元面积等有综合优势。

但是早期发展MRAM技术的单元面积一般为50f2,虽然MRAM的优点之一是可以持续微缩,但这与之DRAM的6f2、甚至cross point的4f2仍然相去甚远,要当成独立存储器,首先在价格上就吃了亏,仅可在特殊利基市场攻城掠地。

MRAM的单元面积在嵌入式制程大概是50f2。单元面积微缩的瓶颈在于底层控制开关的CMOS,而不在上头的储存元件MTJ(Magnetic Tunnel Junction)。实验数据显示,TMR(Tunnel Magnetoresistance Ratio;穿隧磁阻比例,MTJ在状态1与0时的磁阻差额对于状态0磁阻值的比例—简单的说,两个状态有多大的差别)值对于MTJ直径微缩不敏感。TMR值不能太小,否则读取储存数据时就会产生失误。所以MTJ是可以持续微缩的。

有困难的是底下控制电流的CMOS。CMOS要提供足够的电流、而这电流在通过铁磁层或被反射后形成极化的自旋流,进而翻转另一铁磁层(自由层)的磁矩,这就是STT(Spin Torque Transfer)的机制。

但是所有的存储器—甚至包括量子位元—都有稳定性和可操控的两难:稳定的不好操控,容易操控的不稳定,两个极端譬如NAND Flash与DRAM。MRAM要当永久存储器,铁磁层中的磁矩便要经得起热扰动,储存要稳固。稳固的状态就要用较大的力气来切换状态,底下的CMOS就要提供足够的电流来切换,因此CMOS的尺寸小不下来。

要降低CMOS的单元面积,釜底抽薪的方法是用SOT(Spin-Obit Torque)来翻转磁矩,基本上它是用材料中晶格上原子轨域对铁磁层磁矩产生转矩,因为晶格的原子比STT中的电子重多了,转矩的力道也大。在相同的电流下,它产生的转矩比STT大至少一个数量级。这可以解决目前面临的单元面积、写入速度、功耗等问题。

但是也有快速的解决方法,师DRAM之故智。DRAM的CMOS与逻辑制程的CMOS有很大的差异;DRAM的要求是尺寸比较紧致、低漏电流,而逻辑CMOS则要求速度快,所以二者的结构不太相同。在SDRAM、DDR DRAM时代DRAM就开始用recessed gate来满足上述要求,而附带的特性为驱动电流比相同面积平面型CMOS的驱动电流大。用此一制程于MRAM,Hynix与Toshiba于2016 IEDM发表了4Gb MRAM,其单元面积只有9f2,已经非常接近过去DRAM的6f2了,而且现在MRAM写入速度也开始超车了。

看来MRAM的嵌入式和独立式存储器会开始分流,代工厂搞代工厂的、存储器搞存储器的,至少在前段制程是如此。一个接下来的问题是未来MRAM有没有机会替代DRAM?这个问题于今年4月在台湾举办的VLSI-TSA就可见分晓,敬请拭目以待。请看今日之域中,竟是谁家之天下?

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。