热电偶厂家
免费服务热线

Free service

hotline

010-00000000
热电偶厂家
热门搜索:
技术资讯
当前位置:首页 > 技术资讯

MRAM正成为存储芯片巨头争夺的新高地-电子发烧友网

发布时间:2022-04-25 18:58:31 阅读: 来源:热电偶厂家
MRAM正成为存储芯片巨头争夺的新高地-电子发烧友网

进入10nm工艺制程之后,摩尔定律似乎失效了,处理器性能翻一倍所需时间由原来的两年延至三年,半导体芯片产业发展遇到了技术瓶颈。而以MRAM为代表的自旋芯片却在快速发展,在后摩尔时代,自旋芯片有可能突破微电子器件的限制,成为主流芯片吗?

自旋芯片热

自旋芯片具有高集成化、低功耗、高速度、高灵敏度、防辐射等优点,可将信息获取、传递、处理、存储等环节有机地结合在一起,具有巨大的市场前景。据介绍,传感器芯片、磁电信号耦合芯片、磁性逻辑及磁随机存储芯片等自旋芯片市场规模有望超过1000亿美元。

面对巨大的市场空间,全球掀起了以MRAM为代表的自旋芯片研发热潮。三星、SK海力士、美光、格罗方德、Freescale、IBM、英飞凌TDK东芝、索尼、瑞萨等众多海外高科技企业纷纷涌入,杭州驰拓、上海磁宇、中芯国际等国内企业也在积极布局,开展相关研究及产业化工作。

其中一些企业已经取得了产业化成果。三星2019年开始量产28nm嵌入式MRAM,未来两三年内将进入更大规模量产。不甘落后的SK海力士、英特尔、格芯也掌握了22nm嵌入式MRAM的量产工艺。MRAM正成为存储芯片巨头争夺的新高地。

中国企业在自旋芯片领域也有一些成绩。2017年,北京航空航天大学与中国科学院微电子研究所联合成功制视频H5模板
备国内首个80nm STT-MRAM器件。2018年,杭州驰拓、上海磁宇、中芯国际、华为等筹建自旋芯片的研发、生产线。2020年,台积电在ISSCC 2020上呈现了基于ULL 22nm CMOS工艺的32Mb嵌入式STT-MRAM。长江存储、长鑫存储、兆易创新自旋芯片处于前期研发阶段,没有进入量产。赛迪智库集成电路研究所黄阳棋博士表示,中国自旋芯片产业与国外差距较大,目前尚无商用自旋芯片出货,全球MRAM专利申请前50均为国外机构或个人。

存诸多挑战

自旋芯片中的MRAM(磁随机存储器)共经历了MRAM、STT-MRAM、MeRAM等三个发展阶段。北京航空航天大学集成电路科学与工程学院院长赵巍胜表示,目前,MRAM、STT-MRAM已经产业化,其中MRAM在航天航空领域具有广泛的应用,STT-MRAM也实现量产,但是仍临着材料、器件制备、电路设计及系统级整合等方面的挑战。

STT-MRAM器件制备过程中具有诸多技术难点。鲁汶仪器一员工表示,STT-MRAM可兼容现有的CMOS制造技术和工艺,但是其磁性材料蚀刻时,钴铁硼薄膜等磁性材料刻蚀时不易挥发,可能沉积在晶圆上,产生黏物,导致STT-MRAM短路。蚀刻后ST-MRAM两层绝缘的氧化镁可能会与空气中的水氧、二氧化碳反应使ST-MRAM改性。

STT-MRAM芯片设计同样是一道坎。STT-MRAM芯片设计时需要在存储单元的热稳定性和翻转电流指纹开锁H5模板
>阈值两者之间进行权衡,让STT-MRAM存储单元的电流密度降低,并保持数据存储的热稳定性。

STT-MRAM芯片还需要平衡电流、MTJ以及误码率等三者的关系。从结构上看,STT-MRAM存储单元的核心是一个MTJ,其中MTJ是由两层不同厚度的铁磁层及一层几个纳米厚的非磁性隔离层组成,并通过自旋电流实现信息写入。随着存储单元尺寸的减小,信息写入就需要更大的电流。更大的电流将增加功耗,限制写入信息的速度。

此外,目前,STT-MRAM良率不高,产能不大,导致单个STT-MRAM器件价格非常高,难以进入消费级应用市场。

能否成主流?

虽然MRAM存在诸多挑战,但是MRAM与其他类型存储器相比具有明显优势。闪存具有非挥发、可擦写优点,但是读写速度太慢;动态存储(DRAM)具有高速读写、高密度优势,但是功耗较高;静态存储(SRAM)具有高速读写、低功耗优点,但是成本较高;只读存储器(ROM)具有非挥发优点,但是不可擦写;随机读写存储器(RAM)具有可擦写优点,但是易挥发。而自旋式磁存储器(STT-MRAM)集中了Flash和RAM的优点,具有非挥发、读写快、低功耗、无限次擦写、成本低于SRAM等优势。

中国科学院院士,南京大学物理系教授、博士生导师都有为认为,自旋芯片兼具SRAM的高速度、DRAM的高密度和Flash的非易失性等优点,其抗辐射性被军方所青睐,原则上可取代各类存储器的应用,成为未来的通用存储器。

鲁汶仪器一员工指出,目前,MRAM主要在军工、大数据高性能存储等领域有一些应用,但是随着工艺成熟,成本的降低,MRAM有机会取代DRAM。

实际上,在DRAM、 Flash发展过程中,一直有人认为有其他存储芯片技术可以取代DRAM、 Flash,但是都没有成功。赵巍胜指出,DRAM、 Flash会随着新技术的引入不断发展,例如,DRAM技术因为EUV光刻机的使用得以进步。目前MRAM虽然拥有IoT、车载、航空航天等特定应用场景,但是能否成为大综产品尚有疑问。

黄阳棋也认为,当前的计算架构下MRAM不会成为主流。因为在当前的计算架构下,逻辑和存储处于分离状态,现有的晶体管技术已经能够实现几个纳米制程,包含数十亿个晶体管的逻辑电路,同时现有的存储能够以足够低的成本做到TB量级。在逻辑或者存储方面,自旋芯片都无法替代现有的主流芯片,只能应用于某些特定需求的领域。
责任编辑:tzh