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1月13日，三星電子宣布展示世界上第一個(gè)基于MRAM（磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）的內(nèi)存計(jì)算，相關(guān)論文于1月12日在Nature發(fā)表。UZgesmc

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存內(nèi)計(jì)算給MRAM提供了新的思路，過去MRAM磁阻內(nèi)存很難用于存內(nèi)計(jì)算，因?yàn)镸RAM在標(biāo)準(zhǔn)的存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)中無法發(fā)揮低功耗優(yōu)勢。三星公司成功開發(fā)出新的 MRAM 陣列，通過新型“電阻”和計(jì)算架構(gòu)，替換當(dāng)前采用的架構(gòu)。UZgesmc

MRAM有20多年的發(fā)展歷史，但是由于其電阻特性，商用之路極其緩慢，本次三星與哈佛大學(xué)的新研究可能解決了這一障礙，MRAM從此更近一步。UZgesmc

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20年，MRAM默默生長

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上世紀(jì)末，前沿半導(dǎo)體公司已經(jīng)開始對MRAM的研究。1995年摩托羅拉（其芯片部門后獨(dú)立成為飛思卡爾半導(dǎo)體，飛思卡爾半導(dǎo)體在2015年被恩智浦收購）演示了第一個(gè)MRAM芯片，并生產(chǎn)出了1MB的芯片原型。2003年，IBM和英飛凌將磁存儲(chǔ)器元件集成到高性能邏輯基中，開發(fā)出當(dāng)時(shí) “最先進(jìn)的MRAM”。UZgesmc

2007年， IBM和日本TDK合作開發(fā)新一代MRAM，使用自旋扭矩轉(zhuǎn)換(spin-torque-transfer , STT)的新型技術(shù)，利用放大的隧道效應(yīng)，使得磁致電阻的變化提升一倍。在一枚郵票大小的芯片上做出了1GB內(nèi)存，業(yè)界意識MRAM在達(dá)到DRAM的記錄密度的成百上千倍同時(shí)，速度比內(nèi)存技術(shù)都要快。UZgesmc

也是在這一年，總部位于波士頓的公司Allied Minds正式成立了STT公司，以這項(xiàng)技術(shù)命名，該公司開始營運(yùn)。2016年9月，STT開發(fā)出OST-MRAM技術(shù)并在加利福尼亞州總部的晶圓廠制作出20nm的垂直 MRAM 磁穿隧接面（pMTJ）。在STT生產(chǎn)出28nm pMTJ之前，Everspin是唯一一家出貨商用MRAM產(chǎn)品的公司。這家成立于2008年的美國公司由飛思卡爾半導(dǎo)體牽頭成立，主營MRAM。UZgesmc

在2008年之后的十年間，MRAM已經(jīng)在通信、軍事、數(shù)碼產(chǎn)品上有了一定的應(yīng)用。2008年，日本的衛(wèi)星系統(tǒng)就宣布使用了飛思卡爾的MRAM來替換其所有的閃存元件。MRAM開始商用用了十幾年的時(shí)間，Intel、格芯、ST意法半導(dǎo)體等公司相繼入局，都在MRAM的商用產(chǎn)品上有了自己的產(chǎn)品或技術(shù)。2018年的國際電子器件會(huì)議（IEDM）上，英特爾展示了嵌入式MRAM在邏輯芯片制造中的新技術(shù)。英特爾表示，其嵌入式 MRAM可在200℃下保持10年的記憶期，稱之為“首款基于FinFET的MRAM技術(shù)”。2019年，英特爾宣布其MRAM已經(jīng)做好了量產(chǎn)準(zhǔn)備，使用22nm FFL FinFET技藝，同年Everspin也宣布旗下的1G MRAM存儲(chǔ)芯片進(jìn)入試生產(chǎn)階段。UZgesmc

說到MRAM，目前三星仍然是全球?qū)＠谝唬?002年三星宣布研發(fā)MRAM，2005年三星率先研究STT-MRAM，但是此后的十年間，三星對MRAM的研發(fā)一直不溫不火，成本和工藝的限制，讓三星的MRAM研發(fā)逐漸走向低調(diào)。2014年，三星與意法半導(dǎo)體簽訂28nm FD-SOI技術(shù)（一種與FinFET 齊名的技術(shù)）多資源制造全方位合作協(xié)議，授權(quán)三星在芯片量產(chǎn)中利用意法半導(dǎo)體的FD-SOI技術(shù)。當(dāng)年，三星成功生產(chǎn)出8Mb eMRAM，并利用28nm FDS，在2019年成功量產(chǎn)首款商用eMRAM。2020年，三星首批基于eMRAM的商用產(chǎn)品上市，由其制造的Sony GPS SoCs (28nm FDSOI)被用于華為的智能手表，以及由臺(tái)積電采用22nm超低漏電制程(ULL)制造的Ambiq低功耗MCU。UZgesmc

此前，IBM曾總結(jié)了MRAM的四大應(yīng)用領(lǐng)域，其中最困難的尚未實(shí)現(xiàn)。四大應(yīng)用中，MRAM最容易實(shí)現(xiàn)的是獨(dú)立內(nèi)存，它已經(jīng)存在并替換電池支持的SRAM和DRAM以及緩沖硬盤驅(qū)動(dòng)器方面具有利基應(yīng)用。第二應(yīng)用領(lǐng)域是eMRAM，用于SoC。它取代了eNOR Flash，主要用于代碼存儲(chǔ)。接下來的兩個(gè)應(yīng)用都以SRAM為目標(biāo)，但方式不同。最終的應(yīng)用是能夠用大量廉價(jià)的非易失性MRAM替換末級緩存。功耗較低但性能要求非常高。從2021年開始算仍需要幾年的時(shí)間。UZgesmc

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市場多大？中國有何作為？

Yole Development分析稱，到2024年，MRAM的市場規(guī)模將增加40倍。2018年MRAM制造技術(shù)是40nm，而在2024年，Yole Development預(yù)測其制造工藝將減少到16nm，存儲(chǔ)容量則會(huì)從1Gbit增加到8Gbit。2018年至2024年間，MRAM市場規(guī)模將以年均85％的速度增長，到2024年將達(dá)到17.8億美元。現(xiàn)在已經(jīng)較為成熟的eMRAM在2026年市場規(guī)模將達(dá)到約17億美元，相當(dāng)于整個(gè)新興eNVM市場的76%左右。UZgesmc

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目前臺(tái)積電、聯(lián)電、三星、intel等公司同時(shí)在對RRAM和MRAM進(jìn)行投資，eRRAM也將是MRAM強(qiáng)大的對手。根據(jù)Yole的統(tǒng)計(jì)，臺(tái)積電已透過嵌入式OxRAM豐富其40nm ULP11制程，目前以22nm制程生產(chǎn)OxRAM。Dialog Semiconductors授權(quán)格芯使用Adesto CBRAM技術(shù)，目前格芯正將其用于22nm FDSOI上實(shí)施，用于低功耗消費(fèi)類應(yīng)用。聯(lián)電正與松下合作開發(fā)28nm OxRAM，未來幾年或?qū)⒚闇?zhǔn)進(jìn)軍智能卡市場。UZgesmc

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嵌入式NVM目前工藝。來源：YoleUZgesmc

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中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的公司在MRAM上研究起步較晚， 其中Fabless企業(yè)亙存科技是國內(nèi)少有的已經(jīng)生產(chǎn)基于MRAM技術(shù)的創(chuàng)業(yè)公司。UZgesmc

2021年底，亙存科技完成了由深圳高新投正軒基金領(lǐng)投，正軒投資、百度風(fēng)投、普華資本及陸石投資跟投的數(shù)千萬元 Pre-A 輪融資。本輪融資主要用于芯片優(yōu)化、迭代以及團(tuán)隊(duì)擴(kuò)充。亙存科技于2019年成立，在2020年完成企業(yè)供應(yīng)鏈搭建開始接受訂單，目前，亙存科技產(chǎn)品主要基于STT-MRAM技術(shù)，亙存科技表示其正在開發(fā)已成功流片的一款芯片，首次集成了超過200 M，基于MRAM的近存、存內(nèi)計(jì)算的在研項(xiàng)目也在進(jìn)行中。UZgesmc

除亙存科技，杭州馳拓、上海磁宇、中芯國際、華為等公司也在籌建自旋芯片的研發(fā)、生產(chǎn)線。長江存儲(chǔ)、長鑫存儲(chǔ)、兆易創(chuàng)新自旋芯片仍處于前期研發(fā)階段，但目前沒有進(jìn)入量產(chǎn)。作為半導(dǎo)體的技術(shù)大腦，國內(nèi)大學(xué)和科研院所也在發(fā)力。2017年，北京航空航天大學(xué)與中國科學(xué)院微電子研究所聯(lián)合成功制備國內(nèi)首個(gè)80nm STT-MRAM器件。UZgesmc

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北航與中科院研發(fā)的STT-MRAM存儲(chǔ)芯片器件原理圖。UZgesmc

來源：中科院微電子所UZgesmc

中科院微電子所表示，其在國內(nèi)首次采用可兼容CMOS工藝成功制備出直徑80nm磁隧道結(jié)，器件性能良好，其中器件核心參數(shù)包括隧穿磁阻效應(yīng)達(dá)到92%，可實(shí)現(xiàn)純電流翻轉(zhuǎn)且電流密度達(dá)到國際領(lǐng)先水平。 UZgesmc

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三星將MRAM用于存內(nèi)計(jì)算的意義

MRAM被稱為是內(nèi)存的下一次革命，從1M到1G，MRAM花了十幾年的時(shí)間，目前，MRAM仍未得到大范圍的商用落地。本次，三星將MRAM用于存內(nèi)計(jì)算仍具有相當(dāng)大的意義。UZgesmc

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芯片布局與MRAM陣列排布。來源：natureUZgesmc

 存內(nèi)計(jì)算是上個(gè)世紀(jì)90年代發(fā)展起來的。內(nèi)存計(jì)算可以從本質(zhì)上消除不必要的數(shù)據(jù)搬運(yùn)延遲和功耗，AI運(yùn)算可以得到巨量提升。上文說到MRAM電阻較小，本次三星創(chuàng)新使用電阻加和，降低了支路上的電流，解決了MRAM器件電阻較小的問題，效率也到提升。SRAM和PRAM之前是一眾巨頭競爭的對象，MRAM的特性就像一座難以逾越的大山，但是本次MRAM的新思路可以將MRAM用在存算一體芯片中，而數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、云宇宙等都是存算一體芯片的新場景、大市場。UZgesmc

借助存內(nèi)計(jì)算的東風(fēng)，MRAM商用騰飛再添動(dòng)力。 UZgesmc

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