電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）已經(jīng)有了多年的發(fā)展歷史，最早可以追溯到1984年，Arthur Pohm和 Jim Daughton兩人在霍尼韋爾打造出了首個(gè)磁阻存儲(chǔ)器設(shè)備。與SRAM和DRAM等易失性存儲(chǔ)器不同，MRAM在保證非易失性的同時(shí)，還能同時(shí)擁有SRAM的高速讀寫性能和DRAM的高度集成度。

MRAM的分類與優(yōu)勢

第一代MRAM為Toggle（觸發(fā)型）MRAM，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，在耐久性、讀寫循環(huán)性能和成本上，Toggle-MRAM都不算是一個(gè)完美的方案，所以并沒有獲得什么大的商業(yè)成功。不過由于所有MRAM都具備的抗輻射特性，Toggle-MRAM還是在太空應(yīng)用上有所貢獻(xiàn)的。

約莫20年前，STT-MRAM（自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器）的出現(xiàn)，為MRAM的成功商業(yè)化邁出了重要的一步。STT-MRAM采用了將自旋電流誘導(dǎo)至自由磁性層從而改變磁取向，在密度、非易失性上都有著極佳的性能表現(xiàn)，STT-MRAM也因此被視為替代SRAM緩存的方案之一。
imec曾展示過一個(gè)以STT-MRAM作為L3緩存的設(shè)計(jì)，其中在5nm工藝節(jié)點(diǎn)下，STT-MRAM完全可以滿足HPC應(yīng)用上對(duì)L3的讀寫性能要求，與此同時(shí)STT-MRAM的占用面積卻只有SRAM的43%，在大容量的配置下也更加節(jié)能。

不過低開關(guān)速度還是STT-MRAM一個(gè)最大的痛點(diǎn)，這也就是為何imec和英特爾公開展示過的STT-MRAM都是用于替代L3和L4的，而不是速度更快的L1或L2。為了打造更快的MRAM，SOT-MRAM（自旋軌道矩磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器）也就應(yīng)運(yùn)而生了。

SOT-MRAM改變了寫入電流的方向，完成了讀寫解耦，消除了STT-SRAM在開關(guān)延遲上的限制，可實(shí)現(xiàn)ns以下的開關(guān)速度。可為了實(shí)現(xiàn)這樣的優(yōu)勢，就不得不面臨面積增加，所以如果能在密度上進(jìn)行突破，就真的有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)L1/L2緩存的替代，這也是各大晶圓廠研究的方向。

生產(chǎn)制造開始加速

對(duì)MRAM的普及起了最大限制的，還是制造工藝，哪怕對(duì)于臺(tái)積電、英特爾等頂級(jí)晶圓廠來說，也仍在摸索階段，尤其是SOT-MRAM設(shè)備。STT-MRAM的制造工藝目前已經(jīng)基本完善，相關(guān)產(chǎn)品的出貨和新品發(fā)布也都逐漸鋪開了，比如康盈半導(dǎo)體就在近日發(fā)布了自己的MRAM產(chǎn)品智能引擎全芯小精靈，發(fā)力微控制領(lǐng)域。

再以上面提到的臺(tái)積電為例，臺(tái)積電已經(jīng)開發(fā)并提供了STT-MRAM的解決方案，用于克服嵌入式閃存在擴(kuò)展性上的限制。但對(duì)于SOT-MRAM和VC-MRAM來說，哪怕是臺(tái)積電也仍在聯(lián)合第三方研究實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)界合作伙伴共同研究。根據(jù)臺(tái)積電的說法，他們的SOT-MRAM方案是基于高速（開關(guān)速度小于2ns）二進(jìn)制存儲(chǔ)來實(shí)現(xiàn)的，相較于傳統(tǒng)的6T-SRAM來說，密度可提升至5.3倍。
Everspin作為全球領(lǐng)先的MRAM開發(fā)商和制造商，已經(jīng)有了十?dāng)?shù)年的MRAM開發(fā)歷史，也在近日宣布將在美國印第安納州建立新的MRAM工廠，用于擴(kuò)大Toggle-MRAM和STT-MRAM的產(chǎn)能。三星也在2019年就開始了嵌入式MRAM的量產(chǎn)，當(dāng)時(shí)的水平是基于28nm工藝，在今年的IEDM 2022上，三星宣布已經(jīng)將其MRAM技術(shù)推進(jìn)至了14nm FinFET工藝，與上一代相比，面積改善33%的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了2.6倍的讀取速度增幅。

小結(jié)

MRAM雖然已經(jīng)開始發(fā)力了，但仍需要得到下游市場的廣泛認(rèn)可，不能單憑幾家大廠每年在行業(yè)會(huì)議上做的報(bào)告就斷定這一技術(shù)已經(jīng)成熟，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)和材料上，MRAM還有很長的一段路要走。即便如此，商業(yè)化的道路是必須先行的，無論是做嵌入式存儲(chǔ)還是緩存，MRAM可以從這幾年可穿戴、HPC和存算一體市場的發(fā)展中收獲更多機(jī)遇，否則擁有再大的產(chǎn)量也難逃“供大于求”的局面。