臺積電新型存儲技術(shù)問(wèn)世，功耗僅為同類(lèi)技術(shù)的1%

近年來(lái)，在人工智能（AI）、5G 等推動(dòng)下，以 MRAM（磁阻式隨機存取存儲器）、鐵電隨機存取存儲器 (FRAM)、相變隨機存取存儲器（PRAM），以及可變電阻式隨機存取存儲器（RRAM）為代表的新興存儲技術(shù)逐漸成為市場(chǎng)熱點(diǎn)。

從目前來(lái)看，最受期待的就是 MRAM，各大廠(chǎng)商在它上面投入的力度也最大。MRAM 屬于非易失性存儲技術(shù)，是利用具有高敏感度的磁電阻材料制造的存儲器，斷電時(shí)，MRAM 儲存的數據不會(huì )丟失，且耗能較低，讀寫(xiě)速度快，可媲美 SRAM，比 Flash 速度快百倍，在存儲容量方面能替代 DRAM，且數據保存時(shí)間長(cháng)，適合高性能應用。

MRAM 的基本結構是磁性隧道結，研發(fā)難度高，目前主要分為兩大類(lèi)：傳統 MRAM 和 STT-MRAM，前者以磁場(chǎng)驅動(dòng)，后者則采用自旋極化電流驅動(dòng)。

另外，相較于 DRAM、SRAM 和 NAND Flash 等技術(shù)面臨的微縮困境，MRAM 可滿(mǎn)足制程進(jìn)一步微縮需求。目前，DRAM 制程工藝節點(diǎn)為 1X nm，已接近極限，而 Flash 走到 20 nm 以下后，就朝 3D 制程轉型了。MRAM 制程則可推進(jìn)至 10nm 以下。

近日，臺積電與中國臺灣工業(yè)技術(shù)研究院 (ITRI) 的科學(xué)家共同展示了共同開(kāi)發(fā)的 SOT MRAM 存儲器。新的存儲設備專(zhuān)為內存計算而設計，并用作高級緩存。新內存比 DRAM 更快，即使在斷電后也能保留數據。它旨在取代 STT-MRAM 存儲器，并且運行期間的功耗降低 100 倍。

帶有 SOT-MRAM 芯片的實(shí)驗晶圓。 來(lái)源：臺積電/工研院

在非易失性存儲器的其他有前景的選擇中，自旋轉移磁阻存儲器 (STT-MRAM) 長(cháng)期以來(lái)一直是上層高速緩存存儲器（L3 及以上）和內存中非易失性計算的競爭者，除其他外，還有存儲選項。這種存儲器變體使用自旋極化電流通過(guò)隧道結將磁化強度轉移到存儲器單元。因此，STT-MRAM 的能耗比通過(guò)感應電磁場(chǎng)進(jìn)行記錄的傳統 MRAM 存儲器的能耗低幾倍。

SOT MRAM 存儲器走得更遠。鐵磁層的記錄是在自旋軌道扭矩的幫助下發(fā)生的。該效應通過(guò)兩種現象的組合在鐵磁層底部的導體中顯現出來(lái)：旋轉霍爾效應和 Rashba 寶石效應。結果，與導體相鄰的鐵磁體受到導體中自旋電流感應的磁場(chǎng)的影響。這導致 SOT-MRAM 需要更少的功耗來(lái)運行。

兩種類(lèi)型的 MRAM 單元的寫(xiě)入和讀取電流路徑。來(lái)源：新加坡國立大學(xué)

SOT-MRAM 的其他優(yōu)點(diǎn)是獨立的寫(xiě)入和讀取電路，這對性能產(chǎn)生積極影響，并提高了耐磨性。

「該單元同時(shí)提供低功耗和高速運行，速度高達 10 ns?！构ぱ性弘娮优c光電研究實(shí)驗室主任張世吉博士說(shuō)道。通過(guò)實(shí)現內存計算電路可以進(jìn)一步提高整體計算性能。展望未來(lái)，該技術(shù)在高性能計算（HPC）、人工智能（AI）、汽車(chē)芯片等領(lǐng)域具有應用潛力。

與延遲高達 100 ns 及以上的傳統 DRAM 相比，延遲低至 10 ns 的 SOT MRAM 更接近 SRAM（延遲高達 2 ns）。當然，它的延遲為 50 至 100 μs，明顯快于當今流行的 3D NAND TLC。雖然 SOT-MRAM 內存還不能馬上出現在處理器和控制器中，但是未來(lái)對于高效的內存計算和自供電設備通常是必要的。

這些新技術(shù)正吸引各大晶圓廠(chǎng)不斷投入，其他具有代表性的廠(chǎng)商包括英特爾、三星等。

英特爾也是 MRAM 技術(shù)的主要推動(dòng)者，該公司采用的是基于 FinFET 技術(shù)的 22 nm 制程。2018 年底，英特爾首次公開(kāi)介紹了其 MRAM 的研究成果，推出了一款基于 22nm FinFET 制程的 STT-MRAM，當時(shí)，該公司稱(chēng)，這是首款基于 FinFET 的 MRAM 產(chǎn)品，并表示已經(jīng)具備該技術(shù)產(chǎn)品的量產(chǎn)能力。

三星在 MRAM 研發(fā)方面算是起步較早的廠(chǎng)商，2002 年就開(kāi)始了這項工作，并于 2005 年開(kāi)始進(jìn)行 STT-MRAM 的研發(fā)，之后不斷演進(jìn)。2019 年，三星發(fā)布了采用 28FDS 工藝技術(shù)的 1Gb 嵌入 STT-MRAM?；诟叨瓤煽康?eMRAM 技術(shù)，在滿(mǎn)足令人滿(mǎn)意的讀取，寫(xiě)入功能和 10 年保存時(shí)間的情況下，可以實(shí)現 90％以上的良率。并且具備高達 1E10 周期的耐久性，這些對于擴展 eMRAM 應用有很大幫助。

2019 年底，Mentor 宣布將為基于 Arm 的 eMRAM 編譯器 IP 提供 IC 測試解決方案，該方案基于三星的 28FDS 工藝技術(shù)。據悉，該測試方案利用了 Mentor 的 Tessent Memory BIST，為 SRAM 和 eMRAM 提供了一套統一的存儲器測試和修復 IP。

目前 MRAM 有三個(gè)主要的應用市場(chǎng)，一個(gè)是用來(lái)作為嵌入式存儲器，MRAM 的特性非常適合用來(lái)作為嵌入式存儲器，特別是在嵌入或整合在 MCU 中。此外，高密度的 MRAM 則適用于來(lái)作為系統暫存存儲器、加速 NAND 快閃存儲器，或者作為 SRAM 應用的替代品。在未來(lái)，MRAM 甚至很可能用來(lái)取代 DRAM。MRAM 很適合用來(lái)作為企業(yè)客戶(hù)的關(guān)鍵型任務(wù)應用程序，其中可針對包括功率損耗和檔案遺失等問(wèn)題加以解決，因為這些問(wèn)題一旦發(fā)生都可能?chē)乐赜绊懣蛻?hù)端的使用狀況。

而 MRAM 和其他的下一代存儲器，也都被視為是最適合用于機器學(xué)習的儲存技術(shù)。