下一代內(nèi)存是什么

目前，DRAM、閃存和 SRAM 等傳統(tǒng)內(nèi)存仍然是市場(chǎng)上的主力技術(shù)。在當(dāng)今系統(tǒng)中的內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)中，SRAM 在處理器中被用作實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存取的緩存；DRAM 是下一層，用作主內(nèi)存。而磁盤驅(qū)動(dòng)器和基于 NAND 的固態(tài)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器（SSD）則用于存儲(chǔ)。

自 1990 年代以來(lái)，MRAM 就一直是人們研發(fā)的幾種下一代內(nèi)存技術(shù)類型之一。這些都是能提供無(wú)線耐久性的非易失性技術(shù)。和閃存一樣，它們可以在系統(tǒng)電源關(guān)閉之后保留數(shù)據(jù)。相反，DRAM 是易失性的，在電源關(guān)閉后會(huì)丟失數(shù)據(jù)，盡管其中的信息會(huì)在之前遷移到存儲(chǔ)設(shè)備中。

除了 MRAM 之外，其它下一代內(nèi)存技術(shù)包括碳納米管 RAM、鐵電 RAM（FRAM）、相變 RAM 和電阻 RAM（ReRAM）。碳納米管 RAM 使用納米管在器件中形成電阻狀態(tài)。而 FRAM 使用鐵電電容器（ferroelectric capacitor）來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。來(lái)自英特爾和美光的 3D XPoint 技術(shù)就是下一代相變內(nèi)存的一種。另一種技術(shù) ReRAM 則基于電阻元件構(gòu)成的電子開關(guān)。盡管這些技術(shù)很有希望，但其中很多技術(shù)所需的開發(fā)時(shí)間超過(guò)了預(yù)期。不過(guò)，將來(lái)這些技術(shù)中大部分甚至全部都很可能找到某種程度的應(yīng)用空間。并沒(méi)有任何一種單一的技術(shù)能夠滿足所有需求。

MRAM技術(shù)

MRAM，即磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器（Magnetoresistive random-access memory），是一種非易失性(Non-Volatile)的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。它擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無(wú)限次地重復(fù)寫入。

Toggle MRAM

第一代MRAM，是Toggle MRAM，即使用 toggle memory switching。Toggle MRAM 由一個(gè)晶體管（ transistor）和一個(gè)MTJ（Magnetic Tunnel Junction, 磁性隧道結(jié)） 結(jié)構(gòu)組成。

那么什么是MTJ呢？

見下圖，MTJ的基本單元就是這樣的三層結(jié)構(gòu)，最下面一層是自旋方向固定的一層（你可以認(rèn)為就是磁性方向固定），中間是隧穿層，最上面的自旋方向可以發(fā)生變化，要么向左，要么向右。熟悉的朋友一下就反應(yīng)過(guò)來(lái)了，這不就是二進(jìn)制么，一個(gè)bit就這樣形成了。

那么如何讀取和寫入上面那層的磁性方向呢？MTJ結(jié)構(gòu)正好有這樣一個(gè)有意思的特性，當(dāng)上下兩層磁性層自旋方向一致時(shí)，MTJ結(jié)構(gòu)的電阻很小；而二者自旋方向相反時(shí)，MTJ結(jié)構(gòu)的電阻很大。因此可以通過(guò)對(duì)比每個(gè)MTJ單元的電阻來(lái)讀取數(shù)據(jù)。寫入數(shù)據(jù)的過(guò)程如下圖，相互垂直的一系列電流相當(dāng)于經(jīng)緯線，通過(guò)嚴(yán)格控制電流，可以精確地在二者相交的地方產(chǎn)生合適的磁場(chǎng)，從而改變最上面一層的自旋方向，但不會(huì)干擾到相鄰的MTJ單元。

Toggle MRAM可以有效抵抗高輻射以及高溫環(huán)境，因此可以用于軍事以及航天領(lǐng)域。

Toggle MRAM有這樣兩個(gè)特點(diǎn)：

>制程容易實(shí)現(xiàn)

>尺寸比較大，因此集成度不高

ST-MRAM

第二代MRAM，是ST-MRAM，也有叫STT-MRAM，全稱是Spin Torque MRAM（自旋扭矩MRAM）。基本組成單位也是MTJ，但寫入方式與Toggle MRAM不同，ST-MRAM使用自旋極化的電流來(lái)控制最上層的自旋方向，聽著就很高大上吧。電流通過(guò)一定的層狀結(jié)構(gòu)就會(huì)實(shí)現(xiàn)自旋的極化，即電流中的電子的自旋方向都一樣！ST-MRAM相比上一代MRAM而言，寫入能耗大幅降低，并且尺寸也減少很多。Everspin公司就使用了垂直磁各向異性MTJ（PMTJ）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高密度，低能耗的MRAM存儲(chǔ)設(shè)備。

總結(jié)一下，ST-MRAM的特點(diǎn)是：

>基本上無(wú)限的耐久性

>更加節(jié)能，低電壓就能實(shí)現(xiàn)高速度（與DRAM速度相當(dāng)）

>尺寸更小，可以實(shí)現(xiàn)高集成度尺寸更小，可以實(shí)現(xiàn)高集成度

>對(duì)CMOS友好

但 STT-MRAM 也面臨著以下難題：

>復(fù)雜的薄膜堆疊方式

>較窄的傳感區(qū)間

>回流焊接滯留

這是Everspin公司的一張各種存儲(chǔ)技術(shù)的特征對(duì)比圖：

可見MRAM的寫入速度與常見的DRAM相當(dāng)，并且我們知道DRAM，尤其SRAM相當(dāng)?shù)暮馁M(fèi)能量，因此MRAM從原理上的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，是其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一大主要原因。這里是Semico Research的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：

這是歷年來(lái)SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片）的能耗占比，綠色是存儲(chǔ)部分的能耗。可見當(dāng)下降低系統(tǒng)芯片能耗的關(guān)鍵在于有效減少存儲(chǔ)器的能耗。DRAM和SRAM需要通電維持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)，而MRAM不需要一直通電，最上面那層（Free layer）的自旋方向不會(huì)因?yàn)閿嚯姸淖儭?/p>

MRAM的市場(chǎng)前景

1996年，IBM科學(xué)家 John Slonczewski 發(fā)明了 the ST-MRAM 并且在學(xué)術(shù)雜志Journal of Magnetism and Magnetic Materials發(fā)表論文 “Current-driven excitation of magnetic multilayers”。

1998 – Motorola 制造出 256Kb MRAM 測(cè)試芯片。

2006年，飛思卡爾半導(dǎo)體（Freescale）公司開售世界第一個(gè)市場(chǎng)化的MRAM芯片——MR2A16A（下圖）。該芯片容量4 Mbit，售價(jià)$25。寫入/讀取速度 35 ns, 制程是180納米，4Mbit的芯片大小是1.26 平方微米。

目前Everspin公司在售64Mb和256Mb的DDR3 ST-MRAM。

在2016年，三星（Samsung） 展示了一款使用了tCON芯片的LCD 顯示器（下圖）。與之前使用SRAM的芯片不同，該款芯片內(nèi)有28nm制程的pMTJ STT-MRAM。這款MRAM使用8Mb的MRAM單元，大小為 0.0364 平方微米。 tCON芯片，即 timing controller 芯片，是用來(lái)處理視頻信號(hào)的輸入過(guò)程，并且將輸入的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制LCD顯示屏的控制和門驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

三星準(zhǔn)備了同時(shí)裝配SRAM和MRAM的測(cè)試芯片，用來(lái)證明二者并無(wú)區(qū)別。取代高耗能，大尺寸的SRAM成為了MRAM的一大市場(chǎng)方向。

2016年7月，IBM和三星聯(lián)合開發(fā)11納米pMTJ的MRAM（下圖）。可以僅僅使用7.5微安培的電流驅(qū)動(dòng)， write-error-rate為7×10-10 （使用10 納秒脈沖信號(hào)）。IBM 宣布ST-MRAM的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

2017年8月，Everspin公司發(fā)布消息，已經(jīng)開始對(duì)新產(chǎn)品1G容量的ST-MRAM EMD4E001G進(jìn)行采樣工作。這個(gè)最新的ST-MRAM 產(chǎn)品較之前的256Mb DDR3 ST-MRAM其容量擴(kuò)大到4倍。新產(chǎn)品使用28nm CMOS制程（300mm wafer），代工廠是格羅方德（GLOBALFOUNDRIES）。

據(jù)消息，臺(tái)積電 (TSMC) 計(jì)劃在2018年開始量產(chǎn)22nm制程的MRAM芯片。

據(jù)消息，三星宣布2018量產(chǎn)ST-MRAM。

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