IBM與三星聯(lián)手啦！研發(fā)MRAM二十年數年后推出

　　在IBM Research大會(huì )發(fā)布的創(chuàng )新成果當中，我們赫然發(fā)現傳說(shuō)中已經(jīng)擁有二十年開(kāi)發(fā)歷史的非易失"通用型"磁性隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器(簡(jiǎn)稱(chēng)MRAM)正在進(jìn)行升級。IBM方面日前(7月7日)表示，通過(guò)與代工巨頭三星公司的合作，其正在利用自旋轉移力矩(簡(jiǎn)稱(chēng)STT)設計對MRAM加以進(jìn)一步完善。

　　速度比閃存更快，密度較動(dòng)態(tài)隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器(DRAM)更高，這種通用型存儲器方案正在IBM公司內部進(jìn)行最后一輪材料優(yōu)化與工程技術(shù)調整。IBM方面表示，其MRAM STT的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)鐘在10納秒級別且功耗極低(僅為7.5微安)，且速度表現遠超過(guò)閃存甚至接近DRAM。其適用范圍從小型物聯(lián)網(wǎng)系統芯片到大規模服務(wù)器存儲系統可謂無(wú)所不包。

　　整個(gè)研發(fā)周期長(cháng)達二十年

　　"IBM公司在磁性隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器，或者說(shuō)MRAM領(lǐng)域已經(jīng)投入了二十年時(shí)間。其最初屬于DARPA(即國防高級研究計劃局)資助的研究項目，當時(shí)IBM配合摩托羅拉希望打造一款場(chǎng)交換式MRAM，"IBM研究中心(位于紐約州約克敦海茨)MRAM高級經(jīng)理、杰出研究員兼首席研究專(zhuān)家Daniel Worledge在采訪(fǎng)中表示。"IBM公司的John Slonczewski早在1996年就提出應該通過(guò)自旋力矩技術(shù)構建這套方案，但當時(shí)我們以為場(chǎng)交換機制的效果更理想。"

　　"我們在DARPA資助項目結束之后，開(kāi)始轉向自旋力矩實(shí)現方式?，F在我們已經(jīng)迎來(lái)了該項技術(shù)的二十周年，且通過(guò)與三星方面的合作將其設計制程縮減至11納米，"Worledge介紹稱(chēng)。

　　不過(guò)Worledge認為IBM的STT MRAM還無(wú)法在短時(shí)間內取代DRAM，但他深信SST MRAM能夠憑借著(zhù)易于嵌入、速度極快且擁有無(wú)限次讀取與寫(xiě)入能力等優(yōu)勢沖擊嵌入式閃存方案，特別是在讀寫(xiě)壽命方面。接下來(lái)，IBM公司計劃對該單元的工程參數進(jìn)行優(yōu)化，從而在最快三年之內與合作伙伴將其推向量產(chǎn)。

　　自旋轉移力矩(簡(jiǎn)稱(chēng)STT)磁性隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器(簡(jiǎn)稱(chēng)MRAM)中的每個(gè)bit單元都包含一個(gè)晶體管外加一條垂直排列的隧道交叉點(diǎn)。該隧道交叉點(diǎn)包含兩個(gè)磁體，其一的北極永遠指向上，其二則為自由磁體、其北極可在向上與向下間切換以代表存儲0或者1。其只需要7.5微安電流通過(guò)即可實(shí)現偏振方向編程。(圖片來(lái)源：IBM)

　　IBM自旋轉移力矩(簡(jiǎn)稱(chēng)STT)磁性隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器(簡(jiǎn)稱(chēng)MRAM)當中單一11納米交叉點(diǎn)的透射電子顯微鏡影像。(圖片來(lái)源：IBM)

　　IBM與三星雙方需要克服的最大挑戰在于，如何建立起垂直方向單元。

　　"早在2009年，我們就意識到要想實(shí)現優(yōu)于DRAM的實(shí)際存儲效果，我們必須使用垂直磁性單元，因為DRAM就必須采用垂直容量單元，"Worledge在采訪(fǎng)中解釋稱(chēng)。"在研發(fā)早期，我們與TDK協(xié)作以創(chuàng )建這種垂直架構。我們還與美光公司建立起初步合作關(guān)系，其目前仍在參與MRAM的研發(fā)。但最終，我們與三星成為合作伙伴，其于上周在Zurich實(shí)驗室中設立了MRAM論壇，從而將這套垂直架構的制程工藝推進(jìn)至11納米級別另外，進(jìn)一步達到10納米級別的途徑也已經(jīng)明確。"

　　之所以自旋轉移力矩成為這套架構中的重要組成部分，是因為與目前EverSpin及其它廠(chǎng)商打造的磁場(chǎng)交換MRAM相比，前者只需要7.5微安電流即可完成bit寫(xiě)入這一水平遠優(yōu)于場(chǎng)交換技術(shù)的毫安級別功耗要求。

　　工作原理

　　再來(lái)看更多細節。IBM公司使用單一場(chǎng)效應晶體管(簡(jiǎn)稱(chēng)FET)通過(guò)STT MRAM內的一條垂直磁性隧道交叉點(diǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)MRJ)實(shí)現讀寫(xiě)電流控制。位于堆疊結構底部的FET接入該MRJ，后者則由鈷鐵硼(CoFeB)化合物層構成，同時(shí)配合固定旋轉取向的鎂氧化物(MgO)隧道柵極以及可進(jìn)行自旋轉變以代表0與1的CoFeB頂層。此堆疊體系還輔以另一MgO層，旨在強化垂直磁體各向異性(簡(jiǎn)稱(chēng)PMA)并降低自旋電流流失。

　　IBM紐約州約克敦海茨研究院MRAM部門(mén)高級經(jīng)理兼首席研究科學(xué)家Daniel WOrledge。(圖片來(lái)源：IBM)

　　各bit單元的指向反轉能夠在電流經(jīng)過(guò)后的短短10納秒內完成。如果電流通過(guò)交叉點(diǎn)由下向上前行，則該bit亦會(huì )隨之朝向位于底部的CoFeB層。而如果電流自上而下推進(jìn)，bit則會(huì )背向位于底部的CoFeB層。通過(guò)優(yōu)化該單元的工程設計，其駐留生命周期可達到十至二十年之間，Worledge介紹稱(chēng)。

　　IBM公司科學(xué)家Janusz Nowak展示11納米衢州轉移力矩(簡(jiǎn)稱(chēng)STT)磁性隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器(簡(jiǎn)稱(chēng)MRAM)。(圖片來(lái)源：IBM)

　　"STT MRAM的關(guān)鍵性?xún)?yōu)勢在于結合了非易失性與無(wú)限使用壽命，這不同于當前乃至可預見(jiàn)的未來(lái)所存在的任何其它存儲技術(shù)。另外，其亦通過(guò)對bit以及磁性材質(zhì)垂直異向性的優(yōu)化擁有極長(cháng)的數據駐留周期，"Worledge在采訪(fǎng)中解釋道。

　　在對設計方案進(jìn)行測試時(shí)，其每14億次寫(xiě)入中僅存在1次寫(xiě)入錯誤，配合標準糾錯技術(shù)即可實(shí)現完美存儲效果，Worledge表示。

　　IBM公司科學(xué)家Guohan Hu手持一疊自旋轉移(簡(jiǎn)稱(chēng)STT)磁性隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器(簡(jiǎn)稱(chēng)MRAM)晶圓。(圖片來(lái)源：IBM)