兵分两路的eMRAM战场

MRAM在问世之初被期许为读写快如DRAM、永久储存如Flash的全能存储器。然而在元件的发展上，这两种特性的要求是相互排斥的。

众所周知的，MRAM的存储器储存状态“0”或“1”是靠其两个铁磁层的磁矩相对排列方向来决定。记忆的内容要牢靠，磁矩就要稳定，在热扰动下不会改变方向。以术语来说，就是磁各向异性能(magnetic anisotropic energy)要够大。磁各向异性能是指磁矩在各方向－譬如在磁性薄膜的平面方向与垂直方向－的能量差别，磁各向异性能越大磁矩越倾向于停留于低能量的那个方向。

但是越稳定的磁矩，要翻转它也越困难。翻转磁矩是一个机率的过程，要确定一个磁矩被翻转，施加的电流要够大，时间要够长。这便导致要用大的晶体管来驱动大电流，存储器尺寸便难微缩；而且写入数据的时间也长。所以MRAM先天上就存着冲突的特性，工程上的努力都集中在加强铁磁材料与氧化镁之间的界面磁各向异性能－譬如将以前的水平磁矩改成垂直磁矩以提高各向异性能的密度－与寻找新的物理机制－如SOT或VCMA，可以用较小的电流、较快的翻转磁矩。这两个方向驱使MRAM最终往快速、永久性存储器方向迈进。

现在的MRAM技术还没办法兼具快速读取和永久记忆二者，但是可以在二者择一而让它变成专一的元件，这就是MRAM迷人的地方，特别是在嵌入式存储器的应用。这两年来在磁性薄膜材料、结构、沉积设备的各种集体努力之下，磁各向性异能从原先的比每平方厘米1尔格稍高提升到每平方厘米3尔格多，这让各公司于eMRAM的应用拓展了许多。

原先于eMRAM的竞技场集中于28/40nm的eFlash的替代。eFlash自90nm以后微缩日益艰难，40nm如果没有替代品，eFlash面积将占芯片面积的数十%。这类eFlash相似的应用主要在物联网、车联网，后市极大。除了芯片尺寸的微缩外，其能耗亦可以降低。虽然MRAM的驱动电流尚未能大幅降低，但其电压较低，写入时间亦远较Flash为短，总功耗整体还是下降。这是许多晶圆代工厂已加入共同角逐的新领域。

去年以来由于磁各向性异能的大幅提升，让eMRAM在极小的技术节点，譬如feature size 5nm、3nm有了应用的可能。一个MRAM的单元尺寸大概是feature size平方的50倍，相较之下，eSRAM是feature size平方的200倍，就面积来看，用eMRAM当然有极大的优势。磁各向性异能的提升幅度对于如此小面积的MRAM还不足以让它成为永久性存储器(retention time>10yr)，但是如果是当成CPU的L2 Cache，几ms的retention则绰绰有余，而且写入速度可以再提昇。这就是eMRAM的第二战场：eRAM。这个新战场，目前则只有有5nm、3nm先进制程的两、三家有入场券！