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06-21
存储技术经过50年的发展和变革，逐渐形成了SRAM、DRAM和Flash三大主要领域。
然而，随着半导体制造技术不断向更小的技术节点迈进，传统的DRAM和NAND Flash开始面临日益严峻的微缩挑战；再加上这些存储技术与逻辑计算单元的发展速度不匹配，这严重制约了计算性能和能效的进一步提升。
因此，业界开始对新的存储技术寄予厚望，越来越多的新技术正在迅速涌现。
目前，主流新型存储器主要有四种类型：阻变存储器（ReRAM/RRAM）、相变存储器（PCRAM）、铁电存储器（FeRAM/FRAM）和磁存储器（MRAM）。
其中，MRAM正在成为当前主流的新型存储技术，有专家预测MRAM将带来下一波存储浪潮。
01 MRAM的特点 MRAM是一种结合了DRAM和Flash特点的存储介质。
以下是 MRAM 的一些具体特性。
非易失性：铁磁体的磁性不会因断电而消失，因此MRAM是非易失性的。
无限读写次数：铁磁体的磁性不仅在断电时不会消失，而且几乎被认为永远不会消失。
因此，MRAM和DRAM可以无限重写。
写入速度快、功耗低：MRAM的写入时间可低至2.3ns，功耗极低，可实现瞬时开关机，延长便携式机器的电池寿命。
与逻辑芯片高度集成：MRAM单元可以轻松嵌入到逻辑电路芯片中，后端金属化工艺只需增加一到两个需要光刻掩模的步骤。
此外，MRAM单元可以完全制作在芯片的金属层中，甚至可以堆叠2到3层单元，因此具有在逻辑电路上构造大规模存储器阵列的潜力。
02 与其他存储相比，MRAM的优势是什么？ 与SRAM相比，MRAM的速度稍慢，但MRAM在速度方面仍然有足够的竞争力。
另外，SRAM的设计更复杂，MRAM的密度更高，并且MRAM是非易失性的，而SRAM是易失性的。
，断电时数据会丢失，但MRAM不会面临这个问题。
与DRAM相比，由于DRAM需要电容充电/放电才能完成读写，因此MRAM具有更快的读写速度。
MRAM 和 DRAM 的密度相似，但 DRAM 也是易失性存储器。
此外，MRAM具有较低的单元泄漏； MRAM 的电压要求也比 DRAM 低，因为 DRAM 会频繁刷新数据。
与Flash相比，MRAM也像Flash一样具有非易失性，但MRAM在耐高温、数据存储，尤其是操作耐用性方面优于Flash。
要知道MRAM具有写入和读取速度相等的优点，并且能够承受无限的读写周期。
与ReRAM相比，ReRAM的随机读写速度优于传统存储器，但慢于MRAM和FRAM。
同时，ReRAM的读写次数约为10000次，比传统存储器高一个数量级，但小于MRAM。
次；密度和相应的成本是ReRAM的最大优势；从成本角度来看，由于材料复杂、密度瓶颈、抗磁干扰等困难，MRAM的成本会更高。
与FeRAM相比，MRAM具有相似的性能，但FeRAM比MRAM具有更好的读写速度，并且可以保持较低的功耗。
FRAM的缺点是成本比MRAM高，因此可以用在一些非常特殊的市场。
PCRAM也是未来十年最有前途的新型存储技术之一。
PCRAM具有大容量、高集成度、高速度、低功能和低成本的优点，特别是与新的CMOS工艺兼容。
不过，PCRAM也有一些明显的缺点，尤其是写入操作速度无法与DRAM相比，写入耐久性也与DRAM相差较大。
写入耐久性差是其在计算机系统中大规模应用的主要障碍之一，目前国内外研究人员正在研究一些解决方案来应对。
目前来看，PCRAM的商业化程度还没有MRAM高。
当然，MRAM 也并非没有缺点。
它还面临着诸多挑战，如真实器件材料体系复杂、开关比低、CMOS工艺必须完全匹配等。
此外，MRAM的发展在动态功耗、能量延迟效率和可靠性方面仍遇到瓶颈。
目前的 MRAM 系列成员包括三类：自旋转移力矩 (STT)、自旋轨道力矩 (SOT) 和电压控制（VCMA- 和 VG-SOT）。
在非易失性存储器的其他有前途的选择中，STT-MRAM 长期以来一直是上层高速缓存存储器（L3 及以上）和内存中非易失性计算的竞争者。
这种存储器变体使用自旋极化电流通过隧道结将磁化强度转移到存储器单元。
因此，STT-MRAM的能耗比通过感应电磁场记录的传统MRAM存储器低数倍。
SOT-MRAM由更成熟的自旋转移矩STT-MRAM演变而来，由于更好的耐用性和两种二进制状态之间更快的切换，具有更好的缓存应用前景。
STT-MRAM（左）与 SOT-MRAM（右）（来源：清华大学） STT-MRAM 和 SOT-MRAM 之间的主要区别在于用于写入的电流注入几何形状。
在 STT-MRAM 中，电流垂直注入 MTJ，而在 SOT-MRAM 中，电流注入发生在平面内相邻的 SOT 层（通常是钨 (W) 等重金属层）。
因此，SOT-MRAM中的读写路径是解耦的，显着提高了器件的耐用性和读取稳定性。
平面电流注入消除了 STT-MRAM 操作期间的开关延迟。
2017年，imec首次展示了开关速度快至ps的高可靠性SOT-MRAM。
该器件具有增强的耐用性（>5×开关周期）和 pJ 工作功耗。
03 芯片巨头的研究进程 目前，台积电、英特尔、三星、格罗方德、联华电子等各大芯片厂商都在紧锣密鼓地布局、研发、生产MRAM。
台积电SOT-MRAM技术问世，功耗仅为STT-MRAM的1%。
早在2008年，台积电就与中国台湾工业研究院签署了MRAM合作开发计划。
2017年，台积电对eMRAM芯片进行了“风险生产”，采用22nm工艺生产了eReRAM芯片。
在ISSCC上，台积电发布了另一款基于ULL 22nm CMOS工艺的32Mb嵌入式STT-MRAM。
该技术基于台积电22nm ULL（超低漏电）CMOS工艺，具有10ns的极高读取速度和0.8mA/MHz/bit的读取功率。
32Mb 数据的写入耐久性为 K 周期，1Mb 数据的写入耐久性为 1M 周期。
它支持 90°C 下的红外回流焊接和 10°C 下的 10 年数据保留能力。
它采用1T1R架构，实现单元面积仅为0.平方微米，32Mb阵列在25℃时漏电流仅为55mA。
台积电开发STT-MRAM解决方案主要是为了克服嵌入式闪存技术的扩展限制。
随后，台积电成功开发出22nm和16/12nm工艺的MRAM产品线，并获得了内存和汽车市场的大量订单。
此外，台积电正在积极探索SOT-MRAM和VC-MRAM，并与外部研究实验室、财团和学术伙伴合作。
2019年6月，台湾工研院与台积电联合开发出低电压电流SOT-MRAM，具有写入效率高、写入电压低的特点。
其SOT-MRAM实现了0.4纳秒的写入速度和7万亿次的写入速度。
读写的高耐用性还可以提供10年以上的数据存储寿命。
就在近日（1月18日），台积电与工研院宣布成功开发自旋轨道扭矩磁存储器（SOT-MRAM）阵列芯片，标志着下一代MRAM存储器技术领域取得重大突破。
这一创新产品不仅采用了先进的计算架构，而且其功耗仅为同类技术STT-MRAM的1%。
工研院与台积电的合作，使SOT-MRAM的运行速度达到了10ns，进一步提升了内存计算性能，成功突破了MRAM的传统限制。
SOT-MRAM的推出将进一步巩固台积电在存储芯片领域的市场地位。
这项突破性技术具有广泛的应用前景，特别是在高性能计算、人工智能、汽车芯片等领域。
随着AI和5G时代的到来，对速度更快、功耗更低的新一代存储芯片的需求不断增加，而SOT-MRAM迎合了这一趋势，成为应对未来技术挑战的重要工具。
三星发布了业界首款基于MRAM的内存计算芯片。
三星几乎与台积电同时推出。
2016年，三星宣布启动MRAM开发计划。
2016年，三星率先研发了STT-MRAM。
这项技术后来被证明能够满足高性能计算领域末级缓存的性能要求，被认为是突破利基市场的利器。
但由于成本和工艺限制，三星的MRAM研发逐渐变得低调。
在此期间，与FinFET技术齐名的FD-SOI受到了以Leti、Soitec、意法半导体为代表的欧洲半导体研究机构和公司的欢迎。
来技术突破、快速发展。
2019年，三星与意法半导体签署了28纳米FD-SOI技术（与FinFET齐名的技术）多资源制造全面合作协议，授权三星在芯片量产中使用意法半导体的FD-SOI技术。
当年，三星成功量产了8Mbe MRAM，并于2016年采用28nm FDS成功量产*商用eMRAM。
2017年，三星首款基于eMRAM的商用产品推出。
其生产的索尼GPS SoC（28nm FDSOI）用于华为智能手表，台积电采用22nm超低漏电工艺（ULL）生产的Ambiq低功耗MCU。
2020年10月，三星研究人员在14nm FinFET逻辑工艺平台上实现了磁隧道结堆叠磁阻随机存取存储器的制造。
据说是世界上最小、功耗最高的非易失性存储器；该示例数据写入每位仅消耗 25pJ，以每秒 54Mbytes 的数据速率读取时的有功功率要求为 14mW，写入时的有功功率要求为 27mW。
与该公司上一代28nm节点MRAM相比，读取时的有功功率要求为14mW。
时间加快了2.6倍。
该研究的目标之一是证明嵌入式 MRAM 作为依赖大数据集和分析的应用程序（例如边缘 AI）缓存的适用性。
近日，三星电子在学术期刊《自然》上发表了全球首个基于MRAM的内存计算研究成果。
内存计算不需要数据在内存和处理器之间移动，大大降低了AI计算的功耗，被视为边缘AI计算的前沿研究。
尽管MRAM存储器件具有耐用性和批量生产等优势，但其电阻较小的特性阻碍了此类存储器用于内存计算。
此次，三星电子的研究团队构建了全新的MRAM阵列结构，并使用基于28nm CMOS技术的MRAM阵列芯片来运行手写数字识别和人脸检测等AI算法，准确率分别达到98%和93%。
在欧洲举行的 SFF 上，三星宣布了彻底变革下一代汽车技术的愿景，并计划开发三星* 5 纳米 eMRAM。
除了今年推出14nm eMRAM外，该公司还计划进一步扩大其eMRAM产品组合，今年推出8nm，今年推出5nm。
与14nm工艺相比，8nm eMRAM预计密度提升30%，速度提升33%。
22nm STT-MRAM的多种布局英特尔也是MRAM技术的主要推动者。
该公司采用基于 FinFET 技术的 22nm 工艺。
年底，英特尔首次公开介绍了其MRAM研究成果，并推出了基于22nm FinFET工艺的STT-MRAM。
当时该公司表示，这是首款基于 FinFET 的 MRAM 产品，并且该技术已经具备量产能力。
生产能力。
2019年，Everspin与晶圆代工厂GlobalFoundries合作试产28nm 1Gb STT-MRAM产品； 2020年3月，双方宣布将联合开发的STT-MRAM器件的制造扩展到12纳米FinFET平台。
通过缩小工艺，他们帮助双方进一步降低了1 Gb芯片的成本。
Everspin 已在数据中心、云存储、能源、工业、汽车和运输市场部署了超过 1.2 亿个 MRAM 和 STT-MRAM 产品。
今年6月，瑞萨电子宣布开发出用于STT-MRAM测试的电路技术，采用22纳米工艺制造具有快速读写操作的芯片。
联华电子与 Avalanche Technology 宣布建立合作伙伴关系，共同开发和生产 MRAM 以取代嵌入式闪存。
2019年，联电宣布与Avalanche Technology合作推出22nm STT-MRAM，将应用于航空航天等领域。
04 MRAM的主要应用市场 MRAM在边缘展现出独特的优势。
边缘计算在工业物联网、机器人、可穿戴设备、人工智能、汽车和便携式设计等领域的应用越来越多。
伴随这些增长的是对用于程序存储和数据备份的高速、低延迟、非易失性、低功耗、低成本存储器的需求。
虽然有许多选项可供选择，包括 SRAM、DRAM、闪存等，但这些技术都需要在一个或多个领域进行权衡，这使得它们不太适合边缘计算。
MRAM 将数据存储在磁性存储单元中，提供真正的随机访问并允许在内存中进行随机读写。
此外，MRAM 结构和操作具有低延迟、低泄漏、高写入周期数和高保留率的特点，所有这些都是边缘计算非常需要的。
此外，MRAM是集存储和计算于一体的理想存储器之一。
迄今为止，人们已经研究了多种存储介质来构建集成的存储和计算系统。
SRAM和DRAM是易失性设备，频繁刷新不利于降低功耗。
Flash虽然是非易失性的，但随着读写次数的增加，浮栅氧化层会逐渐失效，重复读写的可靠性很低。
因此，各种基于电阻变化的新型存储器是实现存储与计算一体化的有效载体。
MRAM基于电子“自旋”的控制，理论上可以实现零静态功耗，同时具有高速、非易失性和几乎无限的写入次数。
MRAM在速度、耐用性、功耗等方面具有不可替代的优势。
因此，MRAM是集存储和计算于一体的理想存储器之一。
05 取代DRAM和NAND？ 随着科技的飞速发展，人们对计算机硬件的要求越来越高。
如今，许多人想要更换计算机中的内存和硬盘，因为它们不是最新的技术。
它们要么在断电期间丢失数据，要么存储速度较慢。
从目前来看，MRAM似乎是给内存市场带来惊喜的宠儿。
因为MRAM结合了SRAM的速度、DRAM的密度和闪存的非易失性。
然而，我们也必须理性地看待这项技术。
Rambus Labs 高级副总裁 Gary Bronner 曾解释道：“几种新兴存储器技术现已发展到可以生产 Mb 到 Gb 密度的程度，其中包括相变存储器，例如 PCM 或 3D Xpoint、MRAM 和 ReRAM。
但是为了取代 DRAM，这些存储器需要具有与 DRAM 类似的性能，但成本更高，目前还没有新兴存储器能够证明取代 DRAM 所需的成本和性能，正在寻找替代品。
嵌入式闪存是一种性能更高、成本更高的选择。
”总体来说，MRAM技术还远未成熟，其成本优势还没有凸显出来，另外，其他新的存储技术也正在开发中，只能说MRAM是目前最有前途的一种。
取代DRAM或NAND，MRAM还有很长的路要走【本文由投资社区合作伙伴微信公众号授权：本平台仅提供信息存储服务】如有疑问，请联系。
投资界（）。
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