近年來，在人工智能（AI）,、5G等推動下,，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)逐漸成為市場熱點。這些新技術(shù)吸引各大晶圓廠不斷投入,，最具代表性的廠商包括臺積電,、英特爾、三星和格芯（Globalfoundries）,。

　　那么,，這些新興存儲技術(shù)為什么會如此受期待呢？主要原因在于：隨著半導體制造技術(shù)持續(xù)朝更小的技術(shù)節(jié)點邁進,，傳統(tǒng)的DRAM和NAND Flash面臨越來越嚴峻的微縮挑戰(zhàn),，DRAM 已接近微縮極限，而NAND Flash則朝3D方向轉(zhuǎn)型,。

　　此外,，傳統(tǒng)存儲技術(shù)在高速運算上也遭遇阻礙，處理器與存儲器之間的“墻”成為了提升運算速度和效率的最大障礙,。特別是AI的發(fā)展,，數(shù)據(jù)需求量暴增，“墻”的負面效應(yīng)愈加突出,，越來越多的半導體廠商正在加大對新興存儲技術(shù)的研發(fā)和投資力度,，尋求成本更佳、速度更快,、效能更好的存儲方案,。

　　從目前來看，最受期待的就是MRAM,，各大廠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,，MRAM儲存的數(shù)據(jù)不會丟失，且耗能較低,，讀寫速度快,，可媲美SRAM,，比Flash速度快百倍，在存儲容量方面能替代DRAM,，且數(shù)據(jù)保存時間長,，適合高性能應(yīng)用。

　　MRAM的基本結(jié)構(gòu)是磁性隧道結(jié),，研發(fā)難度高,，目前主要分為兩大類：傳統(tǒng)MRAM和STT-MRAM，前者以磁場驅(qū)動,，后者則采用自旋極化電流驅(qū)動,。

　　另外，相較于DRAM,、SRAM和NAND Flash等技術(shù)面臨的微縮困境,，MRAM可滿足制程進一步微縮需求。目前,，DRAM制程工藝節(jié)點為1X nm,，已接近極限，而Flash走到20 nm以下后,，就朝3D制程轉(zhuǎn)型了,。MRAM制程則可推進至10nm以下。

　　諸神爭霸

　　在過去幾年里,，包括臺積電,、英特爾、三星,、格芯等晶圓代工廠和IDM,，相繼大力投入MRAM 研發(fā)，而且主要著眼于STT-MRAM,，也有越來越多的嵌入式解決方案誕生,，用以取代Flash、EEPROM和SRAM,。

　　臺積電

　　早在2002年,，臺積電就與中國臺灣地區(qū)工研院簽訂了MRAM合作發(fā)展計劃。近些年,，該公司一直在開發(fā)22nm制程的嵌入式STT-MRAM，采用超低漏電CMOS技術(shù),。

　　2018年,，臺積電進行了eMRAM芯片的“風險生產(chǎn)”，2019年生產(chǎn)采用22nm制程的eReRAM芯片,。

　　2019年,，臺積電在嵌入式非易失性存儲器技術(shù)領(lǐng)域達成數(shù)項重要的里程碑：在40nm制程方面,，該公司已成功量產(chǎn)Split-Gate（NOR）技術(shù)，支持消費類電子產(chǎn)品應(yīng)用,，如物聯(lián)網(wǎng),、智慧卡和MCU，以及各種車用電子產(chǎn)品,。在28nm制程方面,，該公司的嵌入式快閃存儲器支持高能效移動計算和低漏電制程平臺。

　　在ISSCC 2020上,，臺積電發(fā)布了基于ULL 22nm CMOS工藝的32Mb嵌入式STT-MRAM,。該技術(shù)基于臺積電的22nm ULL（Ultra-Low-Leakage）CMOS工藝，具有10ns的極高讀取速度,，讀取功率為0.8mA/MHz/bit,。對于32Mb數(shù)據(jù)，它具有100K個循環(huán)的寫入耐久性,，對于1Mb數(shù)據(jù),，具有1M個循環(huán)的耐久性。它支持在260°C下進行90s的IR回流焊,，在150°C下10年的數(shù)據(jù)保存能力,。它以1T1R架構(gòu)實現(xiàn)單元面積僅為0.046平方微米，25°C下的32Mb陣列的漏電流僅為55mA,。

　　目前,，臺積電已經(jīng)完成22nm嵌入式STT-MRAM技術(shù)驗證，進入量產(chǎn)階段,。在此基礎(chǔ)上,，該公司還在推進16 nm 制程的STT-MRAM研發(fā)工作。

　　除了MRAM,，臺積電也在進行著ReRAM的研發(fā)工作,，并發(fā)表過多篇基于金屬氧化物結(jié)構(gòu)的ReRAM論文。

　　本周,，臺灣地區(qū)工研院電光所所長吳志毅表示,，由于新興存儲技術(shù)將需要整合邏輯制程技術(shù)，因此現(xiàn)有存儲器廠商要卡位進入新市場,，門檻相對較高,，而臺積電在這方面具有先天優(yōu)勢，因為該公司擁有很強的邏輯制程生產(chǎn)能力,，因此,，臺積電跨入新興存儲市場會具有競爭優(yōu)勢。

　　據(jù)悉，臺灣地區(qū)工研院在新興存儲技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)投入已超過10年,，通過元件創(chuàng)新,、材料突破、電路優(yōu)化等方式,，開發(fā)出了更快,、更耐久、更穩(wěn)定,、更低功耗的新一代存儲技術(shù),，目前，正在與臺積電在這方面進行合作,。未來,，臺積電在新興存儲器發(fā)展方面，工研院將會有所貢獻,，但具體內(nèi)容并未透露,。

　　三星

　　三星在MRAM研發(fā)方面算是起步較早的廠商，2002年就開始了這項工作,，并于2005年開始進行STT-MRAM的研發(fā),，之后不斷演進，到了2014年,，生產(chǎn)出了8Mb的eMRAM,。

　　三星Foundry業(yè)務(wù)部門的發(fā)展路徑主要分為兩條，從28nm節(jié)點開始,，一條是按照摩爾定律繼續(xù)向下發(fā)展,，不斷提升FinFET的工藝節(jié)點，從14nm到目前的7nm,，進而轉(zhuǎn)向下一步的5nm,。

　　另一條線路就是FD-SOI工藝，該公司還利用其在存儲器制造方面的技術(shù)和規(guī)模優(yōu)勢,，著力打造eMRAM,，以滿足未來市場的需求。這方面主要采用28nm制程,。

　　三星28nm制程FD-SOI（28FDS）嵌入式NVM分兩個階段,。第一個是2017年底之前的電子貨幣風險生產(chǎn)，第二個是2018年底之前的eMRAM風險生產(chǎn),。并同時提供eFlash和eMRAM（STT-MRAM）選項,。

　　該公司于2017年研制出了業(yè)界第一款采用28FDS工藝的eMRAM測試芯片。

　　2018年,，三星開始在28nm平臺上批量生產(chǎn)eMRAM,。2019年3月,，該公司推出首款商用eMRAM產(chǎn)品。據(jù)悉,，eMRAM模塊可以通過添加三個額外的掩膜集成到芯片制造工藝的后端，因此,，該模塊不必要依賴于所使用的前端制造技術(shù),，允許插入使用bulk、FinFET或FD-SOI制造工藝生產(chǎn)的芯片中,。三星表示,，由于其eMRAM在寫入數(shù)據(jù)之前不需要擦除周期，因此,，它比eFlash快1000倍,。與eFlash相比，它還使用了較低的電壓,，因此在寫入過程中的功耗極低,。

　　2018年，Arm發(fā)布了基于三星28FDS工藝技術(shù)的eMRAM編譯器IP,，包括一個支持18FDS （18nm FD-SOI工藝）的eMRAM編譯器,。這一平臺有助于推動在5G、AI,、汽車,、物聯(lián)網(wǎng)和其它細分市場的功耗敏感應(yīng)用領(lǐng)域的前沿設(shè)計發(fā)展。

　　2019年,，三星發(fā)布了采用28FDS工藝技術(shù)的1Gb嵌入STT-MRAM,。基于高度可靠的eMRAM技術(shù),，在滿足令人滿意的讀取,，寫入功能和10年保存時間的情況下，可以實現(xiàn)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(yīng)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(jù)悉,，該測試方案利用了Mentor的Tessent Memory BIST,，為SRAM和eMRAM提供了一套統(tǒng)一的存儲器測試和修復IP。

　　Globalfoundries

　　2017年,，時任Globalfoundries首席技術(shù)官的Gary Patton稱,，Globalfoundries已經(jīng)在其22FDX（22nm制程的FD-SOI工藝技術(shù)）制程中提供了MRAM，同時也在研究另一種存儲技術(shù)。

　　由于Globalfoundries重點發(fā)展FD-SOI技術(shù),，特別是22nm制程的FD-SOI,，已經(jīng)很成熟，所以該公司的新興存儲技術(shù),，特別是MRAM,，都是基于具有低功耗特性的FD-SOI技術(shù)展開的。

　　今年年初,，Globalfoundries宣布基于22nm FD-SOI 平臺的eMRAM投入生產(chǎn),。該eMRAM技術(shù)平臺可以實現(xiàn)將數(shù)據(jù)保持在-40°C至+125°C的溫度范圍內(nèi)，壽命周期可以達到100,000,，可以將數(shù)據(jù)保留10年,。該公司表示，正在與多個客戶合作,，計劃在2020年安排多次流片,。

　　據(jù)悉，該公司的eMRAM旨在替代NOR閃存,，可以定期通過更新或日志記錄進行重寫,。由于是基于磁阻原理，在寫入所需數(shù)據(jù)之前不需要擦除周期,，大大提高了寫入速度,，宏容量從4-48Mb不等。

　　英特爾

　　英特爾也是MRAM技術(shù)的主要推動者,，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，該公司稱,，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。

　　結(jié)語

　　由于市場需求愈加凸顯,，且有各大晶圓廠大力投入支持,，加快了以MRAM為代表的新興存儲技術(shù)的商業(yè)化進程。未來幾年,，雖然DRAM和NAND Flash將繼續(xù)站穩(wěn)存儲芯片市場主導地位,，但隨著各家半導體大廠相繼投入發(fā)展，新興存儲器的成本將逐步下降,，可進一步提升 MRAM等技術(shù)的市場普及率,。