【中國(guó)安防展覽網(wǎng) 科技動(dòng)態(tài)】你是否很久以來都認(rèn)為開機(jī)之后看著Windows進(jìn)度條一次次滾過，然后登錄、打開桌面這樣的過程是理所當(dāng)然？之所以每次開機(jī)時(shí)操作系統(tǒng)都需要重新做一遍內(nèi)存初始化的操作，是因?yàn)楝F(xiàn)在普遍使用的內(nèi)存都采用的是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取技術(shù)(DRAM)的內(nèi)存，像SDRAM、DDR和DDR II都屬于這種內(nèi)存。使用了DRAM技術(shù)的內(nèi)存的一個(gè)重要特點(diǎn)就是它們屬于揮發(fā)性內(nèi)存(volatile memory)，也就是說一旦斷電，它里面的數(shù)據(jù)就會(huì)消失。換句話說，DRAM內(nèi)存里面的數(shù)據(jù)之所以能夠存在，實(shí)際上是依靠不斷供電來刷新才得以保持的。
所以，操作系統(tǒng)在每次開機(jī)的時(shí)刻，總需要把一系列系統(tǒng)本身要使用的數(shù)據(jù)再次寫入內(nèi)存，這就是開機(jī)等待時(shí)間里操作系統(tǒng)完成的工作。對(duì)于DRAM內(nèi)存來說，如果要免除這個(gè)過程，供內(nèi)存刷新的電力是不能斷的。所謂的睡眠(sleep)，實(shí)際上計(jì)算機(jī)還在繼續(xù)耗電，只不過是比正常運(yùn)行時(shí)少一些罷了。
然而，東芝集團(tuán)近日在美國(guó)佛羅里達(dá)州的坦帕市(Tampa)卻向公眾展示了一種新型內(nèi)存——磁阻內(nèi)存(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)，它的出現(xiàn)將使得這種情況成為過去。
磁阻內(nèi)存和DRAM內(nèi)存采用了完全不同的原理。DRAM內(nèi)存用以表示"0"和"1"的方式是判斷電容器中的電量多少來進(jìn)行的，它不僅需要保持通電，還需要周期性地給電容充電才能保證內(nèi)容不丟。而磁阻內(nèi)存的存儲(chǔ)原理則完全不使用電容，它采用兩塊納米級(jí)鐵磁體，在界面上用一個(gè)非磁金屬層或絕緣層來夾持一個(gè)金屬導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。通過改變兩塊鐵磁體的方向，下面的導(dǎo)體的磁致電阻(magnetoresistance)就會(huì)發(fā)生變化。電阻一旦變大，通過它的電流就會(huì)變小，反之亦然。
因此，只需用一個(gè)三極管來判斷加電時(shí)的電流數(shù)值就能夠判斷鐵磁體磁場(chǎng)方向的兩種不同狀態(tài)來區(qū)分"0"和"1"了。由于鐵磁體的磁性幾乎是永遠(yuǎn)不消失的，因此磁阻內(nèi)存幾乎可以無限次地重寫。而鐵磁體的磁性也不會(huì)由于掉電而消失，所以它并不像一般的內(nèi)存一樣具有揮發(fā)性，而是能夠在掉電以后繼續(xù)保持其內(nèi)容的。
Globalfoundries在2017年VLSI-TSA研討會(huì)上發(fā)表論文，介紹如何解決eMRAM面臨的挑戰(zhàn)，使其更廣泛地適用于汽車MCU和SoC應(yīng)用。
繼幾家代工廠公開宣布計(jì)劃在今年年底和2018年之前投產(chǎn)磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Magnetoresistive Random Access Memory；MRAM)后，近一家代工廠描述了如何通過MRAM為嵌入式應(yīng)用大幅提升數(shù)據(jù)保存的能力。
在近于日本舉行的“2017年超大集成電路(VLSI)技術(shù)、系統(tǒng)和應(yīng)用研討會(huì)”(VLSI-TSA)上，Globalfoundries在發(fā)表研究論文時(shí)討論了Everspin Technologies隨嵌入式MRAM (eMRAM)轉(zhuǎn)向22nm制程節(jié)點(diǎn)的進(jìn)展。
Globalfoundries嵌入式存儲(chǔ)器副總裁Dave Eggleston表示，文中強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)突破是eMRAM可在攝氏260度下經(jīng)由回流焊保存數(shù)據(jù)、持續(xù)十多年維持?jǐn)z氏125度，以及在攝氏125度具有讀/寫耐用性的能力。這將使eMRAM能夠用于通用微控制器(MCU)和汽車SoC。他說：“磁性層一直缺乏熱穩(wěn)定度。因此，如果數(shù)據(jù)保存的問題得以解決，就能開啟更廣泛的市場(chǎng)。”
Eggleston表示，雖然MRAM在先前的技術(shù)節(jié)點(diǎn)展現(xiàn)了非揮發(fā)性、高可靠性以及可制造性，但在微縮至2x nm節(jié)點(diǎn)以及相容嵌入式存儲(chǔ)器的后段制程(BEOL)溫度時(shí)開始面臨挑戰(zhàn)。如文中所述，磁穿隧接面(magnetic tunnel junction；MTJ)堆疊和整合可在攝氏400度、60分鐘的MTJ圖案化熱預(yù)算時(shí)佳化，并相容于CMOS BEOL制程。
Eggleston表示，三家主要的代工廠都推出了采用該技術(shù)的產(chǎn)品，客戶并選擇了Globalfoundries的制程開發(fā)套件(PDK)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要的晶圓設(shè)備制造商從幾年前開始投入這個(gè)領(lǐng)域，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為它具有充份的商業(yè)潛力，因此該工具可用于MTJ的沉積與蝕刻。Eggleston說：“他們已經(jīng)與像我們這樣的大型晶圓廠以及像Everspin等小型公司聯(lián)手，共同投資與開發(fā)產(chǎn)品。”
同時(shí)，MCU客戶開始認(rèn)真地研究如何利用MRAM強(qiáng)化其架構(gòu)。Eggleston說：“他們實(shí)現(xiàn)了更快的寫入速度，也具有更高的耐用性。”這讓他們能在以往可能使用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)的應(yīng)用開始使用嵌入式MRAM。他并指出，以電路的簡(jiǎn)單性和制造成本來看，2x nm節(jié)點(diǎn)正是該技術(shù)的甜蜜點(diǎn)。
Globalfoundries的MTJ堆疊和整合已在攝氏400度、60分鐘MTJ圖案化熱預(yù)算時(shí)佳化，并相容于CMOS BEOL制程
eMRAM的市場(chǎng)機(jī)會(huì)和其他新興與現(xiàn)有的存儲(chǔ)器技術(shù)并沒有太大的不同：新的大量市場(chǎng)包括移動(dòng)性、聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)以及汽車等。Eggleston指出，對(duì)于Globalfoundries來說，物聯(lián)網(wǎng)與汽車市場(chǎng)更重要。“我們?cè)?jīng)說過這兩大市場(chǎng)在很大程度上是相同的，但作為一家代工廠，我們?cè)谄囶I(lǐng)取得了更大的成長(zhǎng)動(dòng)能。”
嵌入式快閃存儲(chǔ)器(eFlash)一直是目前普遍使用的嵌入式存儲(chǔ)器，但因應(yīng)市場(chǎng)需求存在多種新興的存儲(chǔ)器選擇。除了eMRAM以外，還有相變存儲(chǔ)器(PCM)、嵌入式電阻RAM(eRRAM)、碳納米管(CNT)和鐵電場(chǎng)效電晶體(FeFET)等。Eggleston指出，無論是哪一種選擇，都必須在數(shù)據(jù)保存、效率與速度方面權(quán)衡。CNT和FeFET均展現(xiàn)發(fā)展?jié)摿?，但還不夠成熟，而PCM則適用于特定應(yīng)用，而無法廣泛用于嵌入式應(yīng)用。
Eggleston說：“MRAM和RRAM具有類似的功能，二者都是后段校準(zhǔn)的存儲(chǔ)器，因而能更易于落實(shí)于邏輯制程中。”可用的制程技術(shù)包括需要大型芯片、FD-SOI或FinFET的制程。他并表示，eFlash可內(nèi)建于芯片之中，但如果要建置于各種不同的技術(shù)中將更具挑戰(zhàn)性。
Eggleston說，RRAM的堆疊更簡(jiǎn)單，因?yàn)樵陔姌O之間所需的材料較少。他說：“而且它并不需要像MRAM一樣的設(shè)備投資。MRAM由于堆疊較復(fù)雜，確實(shí)需要一些資本設(shè)備投資。”然而，他指出，RRAM無法提供滿足更廣泛市場(chǎng)所要求的數(shù)據(jù)保存、速度以及耐用度等能力。
Eggleston說，MRAM較RRAM勝出之處在于其多功能性，因?yàn)樗牟牧辖M成可在電極之間加以調(diào)整。“你可以為其進(jìn)行調(diào)整，使其具有更好的數(shù)據(jù)保存能力，或是支援更快的寫入速度與耐用性。”他并補(bǔ)充說，這種可調(diào)整的能力讓Globalfoundries能在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)跨足以往采用eFlash的領(lǐng)域，也可以調(diào)整其速度，使其得以作為非揮發(fā)性快取，用于伺服器處理器與儲(chǔ)存控制器中。
原標(biāo)題 下一代存儲(chǔ)器eMRAM蓄勢(shì)待發(fā)
智慧城市網(wǎng)APP
智慧城市網(wǎng)小程序
微信公眾號(hào)
移動(dòng)版
