近年来,在人工智能、5G时代来临下,数据需求量暴增,随着摩尔定律持续向下微缩,半导体业者加大对新兴存储的研发与投资力道,开始寻求成本更佳、速度更快、效能更好的储存解决方案。
新兴存储MRAM(磁阻式随机存取存储)逐渐成为市场焦点,台积电、英特尔与三星等半导体大厂,相继投入研发。
据了解,MRAM具有成为通用存储器的潜力,能够将存储存储器的密度与SRAM的速度结合在一起,同时始终保持非易失性和高能效。MRAM可以抵抗高辐射,可以在极端温度条件下运行,并且可以防篡改。MRAM技术仍远未实现其潜力,但截至2020年初,市场上有从很小的MRAM到1Gb芯片的MRAM芯片,并且公司正在将该技术用于许多应用。
MRAM属于非挥发性存储技术,是利用具高敏感度的磁电阻材料制造的存储,断电时,所储存的数据不会消失,耗能较低;读写速度快,可媲美SRAM(静态随机存取存储),比Flash速度快上百倍、甚至千倍;在存储容量上能与DRAM抗衡,兼具处理与储存资讯功能;且数据保存时间长,适合需要高性能的场域。
除效能上的优点外,相较于DRAM、SRAM与NANDFlash等存储面临微缩困境,MRAM特性可满足制程微缩需求。目前DRAM制程停滞在1X纳米,而Flash走到20纳米以下后,朝3D制程转型,MRAM制程可推进至10纳米以下。至于SRAM,则在成本与能量损耗上,遭遇严峻挑战。
在具备Flash的非挥发性技术、SRAM的快速读写能力、DRAM的高元件集积度等特性之下,MRAM未来发展潜力备受期待,已被半导体业界视为下世代的梦幻存储技术,成为人工智能与机器学习应用上,可替代SRAM的新兴存储。
也因此,除晶圆代工龙头台积电外,包括英特尔、三星、格芯等IDM厂与晶圆代工厂,相继投入MRAM研发,盼其能成为后摩尔定律时代的新兴储存解决方案。
MRAM与DRAM、NANDFlash及SRAM等存储概念全然不同,MRAM的基本结构是磁性隧道结,研发难度高,目前主要为两大类别:传统MRAM及STT-MRAM,前者以磁场驱动,后者则采自旋极化电流驱动。
目前各家半导体大厂主要着眼STT-MRAM,且越来越多嵌入式解决方案诞生,以取代Flash、EEPROM和SRAM。三星采28纳米FD-SOI(完全空乏型硅绝缘层金氧半晶体管)制程制造;格芯同样FD-SOI技术,但制程已推进至22纳米;英特尔也采用基于FinFET(鳍式场效晶体管)技术的22纳米制程。
台积电则是早在2002年,就与工研院签订MRAM合作发展计画,目前正开发22纳米嵌入式STT-MRAM,采用超低漏电CMOS(互补式金属氧化物半导体)技术,已完成技术验证、进入量产,并将持续推进16纳米STT-MRAM开发,以支持下世代嵌入式存储MCU、车用电子元件、物联网及人工智能等多项新应用。
据研调机构YoleDéveloppement指出,到2024年,STT-MRAM市场规模可望达到18亿美元,其中嵌入式方案产值约12亿美元、独立元件约6亿美元。未来几年,虽然DRAM与NANDFlash将持续站稳存储市场主导地位,但随着各家半导体大厂相继投入发展,成本也将逐步下降,进一步提升MRAM的市场普及率。
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