日前,,三星電子又宣布,已經全球第一家商業(yè)化規(guī)模量產eMRAM(嵌入式磁阻內存),,而且用的是看上去有點“老舊”的28nm FD-SOI(全耗盡型絕緣層上硅)成熟工藝,可廣泛應用于MCU微控制器,、IoT物聯(lián)網,、AI人工智能領域。
三星指出,,基于放電存儲操作的eFlash(嵌入式閃存)已經越來越難以進步,,SLC、MLC,、TLC,、QLC、OLC一路走下來,,密度越來越高,,但是壽命越來越短,主控和算法不得不進行越來越復雜的補償,。
eMRAM則是極佳的替代者,,因為它是基于磁阻的存儲,擴展性非常好,,在非易失性,、隨機訪問、壽命耐久性等方面也遠勝傳統(tǒng)RAM,。
使用28nm工藝量產成功,,則進一步證明三星已經克服了eMRAM量產的技術難題,工藝上更不是問題,。
三星表示,,28nm FD-SOI工藝的eMRAM可以帶來前所未有的能耗、速度優(yōu)勢,。由于不需要在寫入數據前進行擦除循環(huán),,eMRAM的寫入速度可以達到eFlash的大約一千倍,而且電壓,、功耗低得多,,待機狀態(tài)下完全不會耗電,因此能效極高,。
另外,,eMRAM可以輕易嵌入工藝后端,,只需增加少數幾個層即可,因此對于前端工藝要求非常低,,可以輕易地使用現(xiàn)有工藝生產線進行制造,,包括Bulk、Fin,、FD-SOI晶體管,。
三星還計劃今年內流片1Gb(128MB)容量的eMRAM芯片。
英特爾已經為eMRAM大批量生做好準備
在三星之前,,英特爾于今年二月也宣布了在eMARM上的進展,。
根據techpowerup的報道,EETimes上不久前發(fā)布了一份報告,,該報告顯示英特爾自己的商用MRAM(磁阻隨機存取存儲器)已經準備好大批量生產,。MRAM主要利用磁致電阻的變化來表示二進制的0和1,從而實現(xiàn)數據的存儲,,是一種非易失性存儲技術,,這意味著即使斷電情況下,它仍然會保留住信息,,同時它還有不輸于DRAM的容量密度及使用壽命,,平均能耗也遠低于DRAM。
由于不管是DRAM內存還是NAND閃存,,制程微縮已遭遇瓶頸,,相對地,MRAM未來制程微縮仍有許多發(fā)展空間,,MRAM因此備受期待,認為可以取代DRAM內存和NAND閃存,。
周二提交這篇論文的英特爾工程師Ligiong Wei說,,英特爾嵌入式MRAM技術可在200攝氏度下實現(xiàn)長達10 年的記憶期,并可在超過100萬個開關周期內實現(xiàn)持久性,。
MRAM省電的特性,,意味著英特爾嵌入式MRAM將很有可能先用于移動設備上。并且嵌入式 MRAM 被認為特別適用于例如物聯(lián)網 (IoT) 設備之類的應用,,也趕搭上 5G 世代的列車,。
嵌入式存儲的救星?
嵌入式存儲是邏輯制程中不可或缺的一環(huán),,過去卻往往讓人忽略,。但是邏輯制程推進日益艱辛,嵌入式存儲制程推進的難處全浮上臺面,。主要是存儲與主要的CMOS制程差距甚大,,而單獨(stand alone)的存儲與嵌入式存儲的制程又不盡相同,,無可借力,因此發(fā)展額外吃力,。
但是正因為嵌入式存儲發(fā)展遲緩,,它在芯片上面積的占比越來越高,引起注意,。先是eFlash,,eFlash當然是NOR Flash,是微處理器,、微控制器中通常用來儲存程式碼的地方,。到了40nm/28nm,有些應用中eFlash面積可能占芯片面積的30%,,快要反客為主了,。而20nm以下,eFlash的微縮更加困難-事實上,,獨立的NOR Flash現(xiàn)在最先進制程也不過45nm,。兼之制程復雜,eFlash制程要于原本邏輯制程上外加9~12道光罩,,寫入速度緩慢,,又不耐久,需要替代工藝,。
大部分代工廠在28nm這一技術節(jié)點,,普遍都提出eMRAM此一菜單。eMRAM的制程和MRAM相似,,加在邏輯制程中只需額外3道光罩,,面積大概在50平方特征尺寸(feature size),速度快又耐用,,資料存留10年,,替代的理所當然。
有趣的是這些即將要量產eMRAM的代工大廠中,,其MRAM技術或多或少是購并或授權而來的,。
先是三星電子(Samsung Electronics)在2011年購并了Grandis-一家發(fā)明STT MRAM的公司,值得注意的是三星讓它先加入存儲部門的運作,,最早的想法是讓MRAM成為DRAM的替代品,。在當時的技術條件下,這是近乎不可能完成的任務,。
eDRAM在40nm以下原來已被放棄,,但在「全空乏絕緣上覆矽」(Fully Depleted Silicon On Insulator;FD-SOI)技術出來后似有復起之勢,,用來替代邏輯線路中部分的SRAM,,降低面積和功耗,。但是獨立DRAM制程推進已十分吃力,至十幾nm已經非常艱困,,而它的電容器因底面積縮小必須堆高以維持一定電容,,這個與周遭的邏輯制程格格不入,MRAM此時又出來救援,。
MRAM的刻板印象是永久存儲,,但是若愿意降低其資料存留時間,則其寫入時間可以加快,、寫入電流降低,,這就活生像DRAM了。事實上,,在eMRAM的寫入速度降到如DRAM的10ns時,,其資料存留時間還有將近1天,也就是說eMRAM不必像DRAM時時需要資料更新(refresh),,因此同時節(jié)省大量更新電流所造成的功耗,。5~7nm的世代,以eMRAM來做為中央處理器的L3高速緩存(cache)已經近乎定案,。
SRAM的問題最棘手,。目前有些SoC中的SRAM已占芯片面積50%以上,而且情況持續(xù)惡化之中,。16nm FINFET制程中SRAM的單元面積約為275平方特征尺寸,,預計到3nm時單元面積成長至約為675平方特征尺寸,在芯片面積中的占比會更高,。這里面有一部分的問題因為以eMRAM來做為L3高速緩存得到緩解,,但是eMRAM的寫入速度能不能再高?寫入電流能不能再降,?這是eMRAM能不能邁向取代L2高速緩存的關鍵,。這個問題,我持審慎樂觀的態(tài)度,。
MRAM從1995年進入研發(fā)領域的雷達,現(xiàn)在于嵌入式存儲算是建立橋頭堡了,。
對產業(yè)造成的可能影響
值得注意的是,,這些即將要量產,或者已經eMRAM的代工大廠中,,其MRAM技術或多或少是購并或授權而來的,。
先是三星電子(Samsung Electronics)在2011年購并了Grandis-一家發(fā)明STT MRAM的公司,值得注意的是三星讓它先加入存儲部門的運作,,最早的想法是讓MRAM成為DRAM的替代品,。在當時的技術條件下,,這是近乎不可能完成的任務。
臺積電與高通(Qualcomm)的MRAM合作起始甚早,,在2009年就發(fā)表45nm的嵌入式制程,。中間斷斷續(xù)續(xù)的做了幾年,在2016年與TDK Headway合作后再重新拾起研發(fā)動量,。GlobalFoundries也是在2016年與Everspin合作后,,加入eMRAM研發(fā)的行列。后續(xù)的相同模式還有聯(lián)電與Avalanche和力晶與IBM,。
這里面除了IBM之外,,掌握MRAM技術的公司都是新創(chuàng)的小公司。就連已有產品在市場銷售多年的Everspin,,最近的季報才接近損益兩平,,其市值有人估算在2.5億美元左右,都是不折不扣的小公司,。
MRAM并不是最近才有的技術,。我有個朋友從事此領域研發(fā)已有23年,并且早在2010年就出過書,,我10余年前也曾經在DIGITIMES介紹過MRAM,。到現(xiàn)在為止,eMRAM制程已成為邏輯代工不可或缺的先進制程技術,,甚至于在stand-alone存儲領域,,由于DRAM制程在1y以后進展舉步維艱、MRAM的寫入電流大幅降低,,MRAM進入純存儲領域再也不是遙不可及,。
在這樣重要的領域,為什么半導體產業(yè)沒有及早投入呢,?自然,,合并與收購也是大企業(yè)快速取得技術、產品和市場的手段,,制藥領域就有很多知名的例子,。但是與制藥產業(yè)不同的是半導體并沒有很多的新產品、或新技術多到無法涵蓋,。以存儲而言,,再早10年新存儲的候選技術也只是MRAM、PCRAM和ReRAM等幾種,。核心技術由內部發(fā)展和由外部收購,、授權在量產時程上和融入的程度會有很大的差異。
會出現(xiàn)這種尷尬狀況的理由可能是半導體業(yè)界,,尤其是已于其中浸潤數十年的管理層人員,,已經太習慣于摩爾定律的線性演進思維,。摩爾定律有既定的演進方向以及必然帶來的經濟效益-每代每個晶粒成本大約下降30%,以及一定會買單的顧客和市場,。除了在這個既定的航程上精益求精之外,,對于新興的材料、元件和技術,,通常感覺是持疑,。我最常聽到的話是「我們是不見兔子不撒鷹」。
可是摩爾定律開始放緩,,除了3D制程可能還有類似摩爾定律的節(jié)奏外,,其他的半導體經濟增值方式變得很多元。而且從科學轉為科技的速度來的又快又急,,跟MRAM技術相關的諾貝爾獎2007才頒發(fā),,11年后就商業(yè)量產。見了免子再撒鷹,,怕是來不及了,!怎樣改變研發(fā)策略、整頓研發(fā)結構,、重新分配研發(fā)資源恐怕已經是刻不容緩的事,。