日前，晶圓大廠格芯宣布，其22nm FD-SOI 平臺(tái)的嵌入式eMRAM已投入生產(chǎn)。公司也在接洽多家客戶，計(jì)劃2020年安排多次生產(chǎn)流片。此次公告是一個(gè)重要的行業(yè)里程碑，表明eMRAM可在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、通用微控制器、汽車、終端人工智能和其他低功耗應(yīng)用中作為先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的高性價(jià)比選擇。

而據(jù)Yole數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，到2024年，eMRAM將增長(zhǎng)到12億美元，這得益于一些大型公司的支持。而獨(dú)立的MRAM市場(chǎng)預(yù)計(jì)將比eMRAM市場(chǎng)增長(zhǎng)緩慢，到2024年的銷售額約為5.8億美元。后者更將帶動(dòng)晶圓代工廠涉足這個(gè)市場(chǎng)，多年醞釀之后，eMRAM終于要爆發(fā)了？

eMRAM確立領(lǐng)先地位

MRAM是Magnetic Random Access Memory的縮寫(xiě)，中文名稱“磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器”。而eMRAM是指嵌入式磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，可作為系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC、MCU 等）產(chǎn)品的片上存儲(chǔ)解決方案。

不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器如DRAM、SRAM 和 NAND 閃存等利用電子的電荷特性進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，eMRAM的技術(shù)原理是利用電子的自旋特性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其核心存儲(chǔ)器件為磁性隧道結(jié) MTJ。

要說(shuō)eMRAM的發(fā)展機(jī)會(huì)，就不得不先談起嵌入式閃存（eFlash）。

eFlash是一種存儲(chǔ)模塊，用于將信息存儲(chǔ)在系統(tǒng)半導(dǎo)體中，例如微電子單元（MCU）和用于小型電子產(chǎn)品（如IoT設(shè)備）的SoC中的信息。專家認(rèn)為，28nm / 22nm硅光刻節(jié)點(diǎn)將是eFlash的最后一個(gè)具有成本效益的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，而向22nm幾何尺寸的過(guò)渡就必須找到一種新的嵌入式NVM技術(shù)，來(lái)適用于新型且快速增長(zhǎng)的低功耗應(yīng)用的替代產(chǎn)品。要知道這是由于經(jīng)濟(jì)原因，而不是技術(shù)可伸縮性限制。

eMRAM時(shí)代的到來(lái)很大程度上是因?yàn)榍度胧絅OR閃存需要太多的掩碼（一打或更多）才能在28nm節(jié)點(diǎn)或更高的節(jié)點(diǎn)上制造，嵌入式NOR閃存也需要高電壓才能寫(xiě)入數(shù)據(jù)，而且寫(xiě)入時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)。

與NAND閃存比較的話，eMRAM的單元大小與NAND閃存相當(dāng)。但是，與NAND閃存不同，它僅需要額外的2或3個(gè)掩模層，這使得添加到CMOS裸片變得容易得多。與NAND閃存不同，它沒(méi)有耐久性問(wèn)題。這將是非常重要的，特別是對(duì)于那些由于大量寫(xiě)入活動(dòng)而導(dǎo)致NAND閃存故障的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的公司而言。

相較于其他新興嵌入式NVM，除了卓越的性能，eMRAM也具備更高的技術(shù)成熟度：成熟的磁學(xué)物理理論，簡(jiǎn)單可控的寫(xiě)入機(jī)制 （無(wú)需先擦除再寫(xiě)入，也無(wú)需分步寫(xiě)入），單比特出錯(cuò)率低，業(yè)界已經(jīng)有28納米以下的成品，可展示多個(gè)Megabit陣列，高良率，高可靠性，并能夠與先進(jìn)工藝無(wú)縫融合。下圖為不同嵌入式NVM技術(shù)比較。

憑借其高數(shù)據(jù)密度、高速度，耐用性，低功耗和非易失性的特點(diǎn)，以及卓越的性能和技術(shù)成熟度，嵌入式非易失性存儲(chǔ)器eMRAM成為設(shè)計(jì)公司在28nm及以下工藝平臺(tái)的不二選擇。

eMRAM之于MCU

現(xiàn)在幾乎所有的MCU細(xì)分市場(chǎng)現(xiàn)在都使用eFlash解決方案。而eMRAM比eFlash更快，更省電。首先讓我們看下eFlash的幾個(gè)重要衡量參數(shù)，包括在特定溫度范圍內(nèi)的持久性和保留率，以及內(nèi)存模塊在最大系統(tǒng)頻率下需要多少等待狀態(tài)（額外的時(shí)鐘周期）方面的性能。下表比較了eMRAM與ST Micro （ST）、TI、Microchip、NXP和Freescale等公司基于ARM的SoC中廣泛使用的閃存。

微控制器單元（MCU）是單個(gè)集成電路上的小型計(jì)算機(jī)，通常包含中央處理單元（CPU）核心、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）模塊、嵌入式閃存模塊（eFlash）、系統(tǒng)集成模塊和包括定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、串行通信和聯(lián)網(wǎng)的外圍模塊。片上閃存提供的可編程代碼存儲(chǔ)有助于降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制應(yīng)用。

相比eFlash主要用于代碼存儲(chǔ)，eMRAM在MCU中可以同時(shí)存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高效的小系統(tǒng)解決方案。eMRAM是一種可伸縮、高性能、節(jié)能的嵌入式非易失性技術(shù)，可作為MCU內(nèi)存子系統(tǒng)的一部分，它可以提供非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。而且eMRAM具有非常高的數(shù)據(jù)持久性和數(shù)據(jù)保留限制。

對(duì)SoC設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，eMRAM為其提供了顯著的性能優(yōu)勢(shì)，包括超快地寫(xiě)入速度 （《200ns），極高的擦寫(xiě)次數(shù) （~10E8 次），可 在邏輯Vcc供電下運(yùn)行 （無(wú)需Charge PUMP），功耗低比eFlash低10倍，無(wú)bitcell靜態(tài)漏電（0 pA vs 50pA for a SRAM bitcell）。

自從三星和Arm在去年6月共同開(kāi)發(fā)eMRAM以來(lái)，有關(guān)eMRAM的研究一直很活躍。隨著全耗盡式絕緣體上硅（FD-SOI）作為基底技術(shù)的廣泛商業(yè)化，eMRAM的市場(chǎng)機(jī)會(huì)進(jìn)一步涌現(xiàn)。eMRAM與FD-SOI兩者的搭配帶來(lái)了同類產(chǎn)品最佳的性能。不同于eFlash是一種前端技術(shù)，eMRAM的磁性存儲(chǔ)元件搭建于后端金屬層上，這就利于將其集成邏輯制程，F(xiàn)D-SOI不會(huì)對(duì)前端晶體管造成影響。

晶圓廠積極擁抱eMRAM技術(shù)

過(guò)去，人們認(rèn)為eMRAM無(wú)法商用，因?yàn)樗谥圃斐杀竞涂煽啃苑矫娲嬖诰薮筇魬?zhàn)，具體表現(xiàn)為材料復(fù)雜、高溫條件下的數(shù)據(jù)維持能力低、抗磁力干擾能力差，價(jià)格高昂和制造過(guò)程復(fù)雜。因其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景與邏輯工藝緊密相關(guān)，所以eMRAM技術(shù)工藝得到了全球前幾大代工廠商的高度重視。

通過(guò)業(yè)界的不斷努力，幾大晶圓代工廠已經(jīng)解決了材料及制造工藝過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題，多家主流晶圓設(shè)備生產(chǎn)商與晶圓廠采用了更適合eMRAM 技術(shù)的淀積和蝕刻裝置，提高了產(chǎn)出，使得生產(chǎn)成本具備了競(jìng)爭(zhēng)力。

在ISSCC 2020上，臺(tái)積電介紹了其32Mb MRAM的進(jìn)展。臺(tái)積電的嵌入式MRAM芯片采用22nm ULL邏輯制程，22nm ULL邏輯平臺(tái)提供超高Vt NMOS/PMOS （eHVT），低功耗待機(jī)模式下電流小于55uA，喚醒時(shí)間低于100ns，與40nm超低功耗平臺(tái)相比，待機(jī)功耗降低約3.3倍。其讀寫(xiě)速度為10ns，讀取功率為0.8 uA/ mhz，可以承受1M循環(huán)寫(xiě)壽命可靠性測(cè)試，可將數(shù)據(jù)在150°C下保持10年。并且有per-SA微調(diào)和1T4R參考單元的傳感方案，可以在較寬溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

早在2017年5月，臺(tái)積電技術(shù)長(zhǎng)孫元成發(fā)表eMRAM和eRRAM（嵌入式電阻式記憶體）技術(shù)，分別預(yù)定在2018年和2019年進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)，且將采用22nm制程，其目標(biāo)就是為了達(dá)成更高的效能、更低的電耗以及更小的體積，滿足智慧化與物聯(lián)網(wǎng)的全方位運(yùn)算需求。

今年2月28日，格芯宣布，其基于其22nm FD-SOI 平臺(tái)的嵌入式、磁阻型非易失性存儲(chǔ)器（eMRAM）已投入生產(chǎn)。據(jù)悉，新的eMRAM具有非常強(qiáng)的魯棒性，可以將數(shù)據(jù)保持在-40攝氏度至125攝氏度的溫度范圍內(nèi)，并且可以承受100，000個(gè)周期，因此可以將數(shù)據(jù)保留長(zhǎng)達(dá)10年。格芯并未透露將利用其eMRAM的特定產(chǎn)品，但表示正在“與多個(gè)客戶合作，并計(jì)劃在2020年安排多次生產(chǎn)流片”。

據(jù)格芯介紹，他們的eMRAM旨在通過(guò)提供性能，可靠性和功耗方面的改進(jìn)來(lái)替代老化的NOR閃存，并且可以定期通過(guò)更新或日志記錄進(jìn)行重寫(xiě)。其寫(xiě)入速度大大提高，主要?dú)w因于技術(shù)的本質(zhì)：基于磁阻原理，對(duì)存儲(chǔ)材料的寫(xiě)入在寫(xiě)入所需數(shù)據(jù)之前不需要擦除周期，從而大大提高了寫(xiě)入速度。宏容量從4-48Mb不等，將作為合作伙伴的嵌入式工具包提供。

格芯的差異化eMRAM部署在業(yè)界最先進(jìn)的FDX平臺(tái)上，在易于集成的eMRAM解決方案中提供了高性能RF，低功耗邏輯和集成電源管理的獨(dú)特組合，使客戶能夠提供新一代的超高性能，低功耗MCU和連接的IoT應(yīng)用。

三星大約在一年前開(kāi)始在28nm平臺(tái)上開(kāi)始批量生產(chǎn)eMRAM。2019年3月，三星推出首款商用eMRAM產(chǎn)品，三星的eMRAM模塊采用三星的28nm FD-SOI工藝技術(shù)制成，可以通過(guò)添加三個(gè)額外的掩膜集成到芯片制造工藝的后端。因此，該模塊不一定依賴于使用的前端制造技術(shù)，允許將其插入使用bulk、FinFET或FD-SOI制造工藝生產(chǎn)的芯片中。三星表示，由于其eMRAM在寫(xiě)入數(shù)據(jù)之前不需要擦除周期，因此它比eFlash快1000倍。與eFlash相比，它還使用了較低的電壓，因此在寫(xiě)入過(guò)程中消耗的能量大約為1/400。

另外在2019 IEDM上，三星成功演示了采用28nm FDSOI技術(shù)的高密度1Gb嵌入STT-MRAM?；诟叨瓤煽壳铱芍圃斓膃MRAM技術(shù)，在滿足令人滿意的讀取，寫(xiě)入功能和10年保留時(shí)間的情況下，可以達(dá)到90％以上的高良率。并且達(dá)到了高達(dá)1E10周期的提高的耐久性，從而擴(kuò)展了eMRAM應(yīng)用。

英特爾是在2018年12月上旬的國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議（IEDM）上首次發(fā)表詳細(xì)介紹其MRAM研究的新論文。英特爾推出一款整合于其22nm FinFET制程的自旋轉(zhuǎn)移力矩式記憶（STT-MRAM），稱其為首款基于FinFET的MRAM技術(shù)，并表示該技術(shù)目前的生產(chǎn)已經(jīng)就緒。

除了臺(tái)積電，中芯國(guó)際和華為海思也開(kāi)始積極進(jìn)行布局，并且取得了快速發(fā)展。但總體來(lái)看，我國(guó)境內(nèi)地區(qū)eMRAM技術(shù)領(lǐng)域則相對(duì)非常空白，主要為幾家高校和科研機(jī)構(gòu)從事較為分散的自旋電子基礎(chǔ)科研活動(dòng)。在ISSCC 2020上，國(guó)立清華大學(xué)介紹了關(guān)于STT-MRAM的進(jìn)展，他們證明22nm 1Mb 1024b-讀和近內(nèi)存計(jì)算雙模式STT-MRAM宏具有42.6GB/s的讀帶寬，適用于安全意識(shí)強(qiáng)的移動(dòng)設(shè)備。

在各大晶圓廠的努力之下，eMRAM的商業(yè)化發(fā)展很快。2018年，Arm發(fā)布了業(yè)界首款基于三星Foundry 28FDS工藝技術(shù)的嵌入式MRAM （eMRAM）編譯器IP，包括一個(gè)位于18FDS （18nm FDSOI工藝）的eMRAM編譯器。這一平臺(tái)有助于推動(dòng)在5G、人工智能（AI）、汽車、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和其他細(xì)分市場(chǎng)的功耗敏感應(yīng)用領(lǐng)域的推動(dòng)新的前沿設(shè)計(jì)。

2019年12月16日，Mentor宣布，它將為基于Arm Found的eMRAM（嵌入式磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）編譯器IP提供獨(dú)特的IC測(cè)試解決方案，該解決方案基于三星的28nm FDSOI工藝技術(shù)。Mentor的eMRAM測(cè)試解決方案利用了Mentor經(jīng)過(guò)行業(yè)驗(yàn)證的Tessent Memory BIST產(chǎn)品，為SRAM和eMRAM提供了一套統(tǒng)一的存儲(chǔ)器測(cè)試和修復(fù)IP。

結(jié)語(yǔ)

雖然采用eMRAM技術(shù)的產(chǎn)品不會(huì)這么快出現(xiàn)在市場(chǎng)上，但從這些晶圓大廠的發(fā)展走向來(lái)看，新一代嵌入式記憶體技術(shù)與次世代非揮發(fā)性記憶體的組合不僅為舊式記憶體的困境帶來(lái)新的發(fā)展契機(jī)，也為新式記憶體解決方案的發(fā)展邁出一大步。
責(zé)任編輯：tzh