蓄势待发的MRAM

电子发烧友网报道（文/周凯扬）磁性随机存储器（MRAM）已经有了多年的发展历史，最早可以追溯到1984年，Arthur Pohm和 Jim Daughton两人在霍尼韦尔打造出了首个磁阻存储器设备。与SRAM和DRAM等易失性存储器不同，MRAM在保证非易失性的同时，还能同时拥有SRAM的高速读写性能和DRAM的高度集成度。
 
MRAM的分类与优势
 
第一代MRAM为Toggle（触发型）MRAM，但由于结构设计的原因，在耐久性、读写循环性能和成本上，Toggle-MRAM都不算是一个完美的方案，所以并没有获得什么大的商业成功。不过由于所有MRAM都具备的抗辐射特性，Toggle-MRAM还是在太空应用上有所贡献的。
 
约莫20年前，STT-MRAM（自旋转移矩磁性随机存储器）的出现，为MRAM的成功商业化迈出了重要的一步。STT-MRAM采用了将自旋电流诱导至自由磁性层从而改变磁取向，在密度、非易失性上都有着极佳的性能表现，STT-MRAM也因此被视为替代SRAM缓存的方案之一。

不同大小的SRAM与STT-MRAM读写能耗比较 /  imec

 
imec曾展示过一个以STT-MRAM作为L3缓存的设计，其中在5nm工艺节点下，STT-MRAM完全可以满足HPC应用上对L3的读写性能要求，与此同时STT-MRAM的占用面积却只有SRAM的43%，在大容量的配置下也更加节能。
 
不过低开关速度还是STT-MRAM一个最大的痛点，这也就是为何imec和英特尔公开展示过的STT-MRAM都是用于替代L3和L4的，而不是速度更快的L1或L2。为了打造更快的MRAM，SOT-MRAM（自旋轨道矩磁性随机存储器）也就应运而生了。
 
SOT-MRAM改变了写入电流的方向，完成了读写解耦，消除了STT-SRAM在开关延迟上的限制，可实现ns以下的开关速度。可为了实现这样的优势，就不得不面临面积增加，所以如果能在密度上进行突破，就真的有可能实现对L1/L2缓存的替代，这也是各大晶圆厂研究的方向。
 
生产制造开始加速
 
对MRAM的普及起了最大限制的，还是制造工艺，哪怕对于台积电、英特尔等顶级晶圆厂来说，也仍在摸索阶段，尤其是SOT-MRAM设备。STT-MRAM的制造工艺目前已经基本完善，相关产品的出货和新品发布也都逐渐铺开了，比如康盈半导体就在近日发布了自己的MRAM产品智能引擎全芯小精灵，发力微控制领域。
 
再以上面提到的台积电为例，台积电已经开发并提供了STT-MRAM的解决方案，用于克服嵌入式闪存在扩展性上的限制。但对于SOT-MRAM和VC-MRAM来说，哪怕是台积电也仍在联合第三方研究实验室和学术界合作伙伴共同研究。根据台积电的说法，他们的SOT-MRAM方案是基于高速（开关速度小于2ns）二进制存储来实现的，相较于传统的6T-SRAM来说，密度可提升至5.3倍。

三星嵌入式MRAM / 三星

 
Everspin作为全球领先的MRAM开发商和制造商，已经有了十数年的MRAM开发历史，也在近日宣布将在美国印第安纳州建立新的MRAM工厂，用于扩大Toggle-MRAM和STT-MRAM的产能。三星也在2019年就开始了嵌入式MRAM的量产，当时的水平是基于28nm工艺，在今年的IEDM 2022上，三星宣布已经将其MRAM技术推进至了14nm FinFET工艺，与上一代相比，面积改善33%的同时实现了2.6倍的读取速度增幅。
 
小结
 
MRAM虽然已经开始发力了，但仍需要得到下游市场的广泛认可，不能单凭几家大厂每年在行业会议上做的报告就断定这一技术已经成熟，因为在结构和材料上，MRAM还有很长的一段路要走。即便如此，商业化的道路是必须先行的，无论是做嵌入式存储还是缓存，MRAM可以从这几年可穿戴、HPC和存算一体市场的发展中收获更多机遇，否则拥有再大的产量也难逃“供大于求”的局面。