MRAM，何去何从？

磁阻 RAM (MRAM) 似乎在最先进的节点上获得了关注，部分原因是存储器本身的最新改进，部分原因是新市场需要 MRAM 可能唯一合格的解决方案。

对于MRAM仍然存在很多怀疑者，并且存在很多潜在的竞争对手。在过去的几十年里，由于高成本、低密度和较低的耐用性，MRAM 的作用受到限制。但支持者的数量正在增加。

图 1：2022-2033 年独立内存年出货量

（以 PB 为单位）

如今，MRAM 有两种主要类型：独立式和嵌入式，以及三个主要应用领域：

• 非易失性RAM（NVRAM），这是eMRAM与嵌入式SRAM和嵌入式DRAM竞争的地方；

• eMRAM，可以设计在最先进的节点上以与闪存竞争，以及

• 帧缓冲 MRAM，通常针对显示器。

“帧缓冲型 MRAM 用于摄影或视频，并针对耐用性和速度进行了调整，”西门子EDA的 Tessent 高级工程总监 Martin Keim 说道。“代价是波动性仅下降到几秒钟。但如果您只是拍摄一张照片，则需要将其在硅片内部存储一秒钟，然后将其移动到永久存储中。最终，不同 MRAM 的优势实际上取决于您想要构建的内容。”

代工厂提供不同的 MRAM 变体，每种变体都有不同的 PPA 指标。Synopsys产品经理 Bhavana Chaurasia 表示：“市场空间需要不同的 eMRAM 变体来提供某些 PPA 指标。”“例如，一种可能更像 SRAM，速度更高、面积更小，但保留期较短，而非易失性 eMRAM 则具有更高的保留期、速度较慢且尺寸更大区域。因此，现在您可以根据应用和目标市场灵活地决定为您的 SoC 使用哪种类型的 eMRAM。”

MRAM 并不是前沿节点上的完美解决方案，而且它肯定不会取代 DRAM（这是我们最初的目标）。Rambus Labs高级副总裁 Gary Bronner 解释说：“几种新兴内存技术已经发展到可以生产 Mb 到 Gb 密度的水平。”“其中包括相变存储器，例如 PCM 或 3D Xpoint、MRAM 和 ReRAM。然而，为了取代 DRAM，这些存储器需要具有与 DRAM 相似的性能，但成本要更高。目前还没有一种新兴存储器能够证明取代 DRAM 所需的成本和性能。MRAM 和 ReRAM 正在寻找嵌入式闪存的替代品，其中 MRAM 是性能更高、成本更高的选择，而 ReRAM 是经济高效的替代方案。”

尽管如此，MRAM 的足迹似乎仍在扩大。新的发展有助于克服其历史局限性。与此同时，闪存在前沿节点上受到限制，而 MRAM 特别适合汽车应用。

IMEC 磁学项目总监 Sebastien Couet 表示：“MRAM 对微电子行业变得非常重要，因为在先进逻辑节点上缺乏替代闪存的解决方案。”过去两到三年，大多数主要代工厂基本上都在生产 STT MRAM。这是重要的第一步，因为在业界引入新的内存技术非常罕见。SRAM、DRAM 和闪存在过去 50 年中取得了长足的发展，但从根本上来说，它们是相同的技术。我们达到了 [MRAM] 的大批量制造能力，这是一个非常重要的里程碑。预计未来5到10年将大幅增长。”

作为一种磁性技术，MRAM 本质上是抗辐射的。这使得独立版本在航空航天应用中很受欢迎，而且这些应用对价格的敏感度也较低。“它相对较大，在内存领域，尺寸意味着成本，”Couet 说。“这对航天器来说是件好事，因为航天器可以花 5,000 欧元购买几兆字节的内存，但显然这对消费市场来说并不好。”

MRAM 还在企业存储中找到了一席之地，例如 IBM 的闪存核心模块（图 3，第 1 栏），其中 Everspin 的 MRAM 用作意外断电时的缓冲区。

Objective Analysis 首席分析师 Jim Handy 指出，此外，MRAM 还用于工业应用。作为一个例子，他列举了如何通过保持正确的手臂位置来防止精心设计的工业机器人在断电后重新启动时相互碰撞。

“其中一些应用程序需要具有非常快的写入能力，并且需要是非易失性的，”Handy 解释道。“如今大容量的非易失性存储器是 NAND 闪存、NOR 闪存和 EPROM，这是一个非常小的市场。这三者的写入速度都非常慢，并且消耗大量能量，这使得它们对于某些需要快速存储数据的应用程序来说并不受欢迎。另一种选择是 SRAM，配有电池来支持，但这并不受欢迎，因为电池需要每隔几年更换一次。”

但汽车行业真正打破了平衡，从闪存转向 eMRAM，因为对 MCU 的需求不断增加，而创建闪存的成本不断增加，而闪存可能需要十几个掩模加法器。

“在 32 纳米节点以下，将闪存与 CPU 共同集成的成本急剧上升，因为制造方法与逻辑不同，”imec 的 Couvet 表示。“您需要在晶圆厂中制定特定步骤来仅制造闪存。在某种程度上，闪存制造成本比其他制造成本更高，这确实变得疯狂，因此业界正在寻找解决方案。”

解决方案是 eMRAM。2022 年，瑞萨电子在 2002 年 VLSI 研讨会上宣布推出STT-MRAM 测试芯片时解决了这个问题，“与采用 FEOL 制造的闪存相比，在 22 nm 以下工艺中，采用 BEOL 制造的 MRAM 具有优势，因为它与现有 CMOS 兼容逻辑工艺技术，并且需要更少的额外掩模层，”该公司当时表示。

IBM 的态度更加乐观。IBM杰出研究人员兼高级经理 Daniel Worledge 表示：“大约三年后，您将能够指着街上的每辆新车并说该车内有 eMRAM。”“先进节点中不再有嵌入式闪存，所有代工厂都已停止开发它。过渡期为 22 纳米和 28 纳米，具体取决于代工厂。”

嵌入式 MRAM 本质上也是可扩展的。Chaurasia 表示：“eFlash 已达到 28 纳米以下的规模极限，而使用 eMRAM，您可以设计支持较低技术节点的嵌入式非易失性存储器。”“这样做的好处是实现了核心和内存的可扩展性。内存可以保留为同一芯片的一部分，与其他选项相比，这有助于实现更小的面积以及更好的性能和功耗，而将内存保留在单独的芯片中，这会导致接口的性能和功耗损失并增加安全问题。eMRAM 具有更小的面积、更低的泄漏、更高的容量和更好的抗辐射能力。与 PCRAM 和 ReRAM 相比，eMRAM 具有更低的温度敏感性，提供更好的生产级良率，并提供更长的耐用性（在多年的多个读/写周期中保留数据）。它允许字级擦除和编程操作，使其成为高能效的 NVM 解决方案。所有这些优势使 eMRAM 成为出色的 eNVM。”

所有这些优势都可能使 eMRAM 成为汽车存储器的未来，至少其支持者如此认为。然而，并非所有人都同意。

“当我们与汽车客户交谈时，他们更喜欢 ReRAM，而不是 MRAM，”Keim 说。“我们听到的争论是温度稳定性以及汽车环境中的磁场影响 MRAM 中存储的数据的担忧。对于前者，现在的 MRAM 类型确实具有汽车市场所需的温度稳定性（-40C 至 +150C）。这表明 MRAM 技术正在迅速扩展到应用领域的各个角落。他们的产品化已经发展到什么程度，以便汽车用户可以选择市场上现成的产品，这是一个不同的问题。”

另一方面，MRAM 的合法读取值 0 和 1 之间的差距非常窄（请参阅下面的调整讨论）。这个小间隙随着温度的升高而变窄和变化，使得安全地解释读取值变得更加困难。ReRAM 中 0 和 1 之间的电阻差距要大得多，使其更容易读取，即更容易在较高温度下操作。

即便如此，今年 5 月，恩智浦和台积电宣布推出首款用于汽车的16 纳米 finFET eMRAM，与闪存的 1 分钟相比，它可以在大约 3 秒内更新 20MB 的代码，提供高达 100 万次更新周期，耐用性水平是闪存的 10 倍以及其他新兴的存储技术。

新旧内存类型之间的竞争不仅仅是技术和财务方面的竞争。想象一下，如果救护车必须暂停一分钟才能启动。

与科技行业的许多设备一样，MRAM 始于获得诺贝尔奖的工作。在这种情况下，它是巨磁阻的发现，这是硬盘存储的基础概念。下一个突破是自旋转移矩（STT），这是一种可以使用自旋极化电流修改磁性隧道结（MTJ）或自旋阀中磁性层方向的效应。

这种新物理导致了更有效的 MRAM。STT MRAM 核心的 MTJ 由两个磁性电极和其间的一个电介质隧道势垒组成。“基本上，MJT 负责检测两个电极之一的磁性状态，”Couet 解释道。“在 MRAM 中，你有一个固定磁铁，然后是隧道势垒，然后是一个自由磁铁，你可以将其编程为指向上方或指向下方。然后你比较一下。之后，结的电阻取决于电极的排列。如果两个电极在其磁性状态方面以平行配置对齐，则它们具有低电阻。如果它们是反平行的，则它们具有高电阻。这提供了一种区分磁铁朝上和朝下的方法，因此您可以通过这种方式存储信息。磁铁可以长期稳定，

STT MRAM 目前占主导地位。现场切换 MRAM（现称为切换 MRAM）是一种早期形式，由摩托罗拉飞思卡尔于 2006 年首次推向市场，飞思卡尔后来被分拆并合并为 Everspin Technologies。Everspin 以切换和 STT 形式提供当今市场上的大部分独立 MRAM。

“在切换（toggle） MRAM 中，通过在 MTJ 上施加磁场来改变极性，”Everspin 高级营销总监 Joe O'Hare 解释道。“相比之下，STT MRAM 技术使用自旋转移力矩特性，或者通过极化电流来操纵电子自旋。”

2010年，Worledge和他的IBM同事以及日本东北大学的Ohno实验室都发表了展示垂直STT MRAM的论文，这激发了当前的兴趣。“在那之前，MRAM 还只是实验室的好奇物，”Worledge 说。“你可以做一些位，但它们不能可靠地切换。原因是所有磁化都在平面内，但效率非常低。你想要的是磁化强度垂直于晶圆平面。”

尽管从1996 年起理论上就已经知道了答案，但需要十多年的时间才能精心设计物理和材料的正确组合以实现最佳切换。“垂直位解决了写入问题，”沃里奇解释道。“这就是引发所有这些兴奋的原因。所有大公司都纷纷加入并开始研究 STT RAM。”

还有一种称为自旋轨道扭矩 (SOT)-MRAM 的新变体，imec 一直在对其进行改进。正如 Couet 在博客中解释的那样，“STT-MRAM 和 SOT-MRAM 之间的主要区别在于用于写入过程的电流注入几何结构。在 STT-MRAM 中，电流垂直注入 MTJ，而 SOT-MRAM 中的电流注入发生在相邻 SOT 层的平面内。”

尽管如此，复杂的物理现象意味着设计人员需要意识到使用 MRAM 的复杂性。

“当你从市场上购买 SRAM 或 DRAM 时，它们或多或少都是一样的，”Keim 说。“MRAM 具有不同的底层物理特性和特性，如果选择错误，可能会遇到麻烦。”

MRAM 具有概率行为，因此它们还具有大量纠错功能。“通常情况下，您的 ECC 可能具有一位纠错位和两位错误检测位。MRAM 更上一层楼，至少有两位校正和三位检测，”Keim 说。“然后，ECC 将纠正 MRAM 的不可能性。因此，您将获得确定性的行为，就像 SRAM 一样，但这需要您付出代价。”

还有一个额外的问题。“当您打开 SRAM 并进行写入和读取时，它就会正常工作。他说，使用 MRAM，首先必须根据单元的实际属性来训练读写电路，这就是所谓的“微调”。“修整意味着你必须找到你的比较值，你的电阻值，这让你决定你刚刚读取的内容应该被解释为 0 还是 1。因此，MRAM 需要一个完整的修整学习周期读和写。”

事情还没有结束。“内存的不同部分需要不同的调整值。要让这件事真正发挥作用，需要一个完整的过程，”他说。“一旦你完成了这一点，你就拥有了增强的 ECC，你就完成了需要在芯片上的调整电路。需要在片外处理的数据太多，既耗时又昂贵。因此，您必须投资额外的硬件来进行简单的学习。唯一可行的解决方案是在片上完成所有这些工作，完全自动化且独立。为了进一步降低面积成本，您需要利用已有的 DFT，即内存内置自测试 (MBiST) 引擎。”

好消息是，在投入了所有额外的时间和金钱之后，内存的效果相当好。

散热是 DRAM 的弱点。较高的温度会导致其电容器刷新并丢失数据。“DRAM 是一项很难使用的技术。它会在几毫秒内忘记事情，需要定期离线刷新，”Cadence 产品营销集团总监 Marc Greenberg说道。“它容易受到热和辐射的影响。”

相比之下，eMRAM 成功的重要原因之一是它在高温下保持稳定，以至于可以通过回流焊保留数据。然而，其散热优势也解释了其相对缺乏耐久性的原因。

“因为你需要有非常好的数据保留能力才能承受回流焊，所以你必须让磁性位很难切换，因为你不希望它在热波动期间切换，”IBM 的 Worledge 说。“这意味着写入时也很难切换，因此必须施加更大的电压才能写入。随着时间的推移，较大的电压会损坏氧化镁隧道势垒。”

每种技术都有其致命弱点。对于MRAM来说，就是强磁场。

“与任何磁性组件一样，eMRAM 应与其他磁性组件保持一定距离，”Chaurasia 说。“例如，SoC 或芯片内可能存在电感线圈。这些设备之间的一定距离会减少磁效应。因此，在设计芯片时必须维护它。对于片外磁抗扰度，先进封装可以提供屏蔽。eMRAM 块或设备上方的气隙也可以提供免受磁敏感性的影响。”

IBM 的 Worledge 表示，与靠近 MRI 机器（这绝对是禁忌）不同，靠近小型电机和小型感应线圈不应成为问题。尽管如此，他确实提出了一个噩梦般的场景——使用钕铁硼磁铁的攻击者可能会禁用 eMRAM 芯片，因此最好将此类芯片放置在距离设备（尤其是汽车）表面至少一厘米的地方。

MRAM 的工作中有许多近期和长期的发展。据 IBM 的 Worledge 称，移动缓存可能会在未来一两年内上市，其中 MRAM 将取代闪存和 SRAM。“从研发的角度来看，我认为我们已经完成了。我们已经展示了可以满足这些要求的磁性隧道结，我们希望代工厂能够尽快提供商业产品。”

Worledge 相信 eMRAM 的未来会出现一款杀手级应用。“假设您有一个由太阳能供电的物联网设备。也许它是安全系统的一部分。它通常是关闭的，也许它上面有一个小传感器来拾取一些音频。当音频足够响亮时，它就会醒来并尝试使用某种人工智能算法来确定是否有入侵者。如果没有 eMRAM，它会醒来，将 AI 程序的权重从闪存加载到 SRAM 中，然后运行AI 程序。如果权重被更新，他们就必须写回闪存，这是非常耗电的。但仅使用 eMRAM，当设备唤醒时，它就会开始运行，因为所有权重都已位于 eMRAM 内。”

他说，这种方案比 SRAM 慢，但与在闪存和 SRAM 之间来回写入数据相比，优点是功耗更低，而且其耐用性使其非常适合现场操作。

IBM 近四分之一个世纪以来一直致力于研究的“圣杯”是末级缓存。当前的缓存方案依赖于 SRAM 作为工作内存，并且可能会出现称为“缓存未命中”的问题，即数据不在 SRAM 中。这迫使 SRAM 一直到 DRAM 来获取数据。

“这是一个非常慢的过程，大约需要 35 纳秒或 50 纳秒的往返时间，”Worledge 说。“如果可以的话，您确实希望拥有更大的 SRAM 缓存。如果 MRAM 的密度是 SRAM 的两倍，那么其中的位数就会是 SRAM 的两倍。它会比 SRAM 慢一点，但它的位数是 SRAM 的两倍，足以弥补较慢的速度。”

沃里奇相信他们终于在攻击距离之内了。“这是一个非常具有挑战性的应用，因为您需要 MRAM 非常密集、非常快速和高耐用性，”他说。“我们仍然需要降低开关电流。我们发表了我们发明的一种新器件，称为双自旋矩磁隧道结，它确实将开关电流降低了两倍。我们甚至展示了 250 皮秒的切换，与所有其他 MRAM 出版物相比，速度快得令人难以置信。那里有很多希望，但我们仍处于研究阶段。”

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