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MRAM用在存算一体芯片中

三星电子宣布展示世界上第一个基于MRAM(磁阻随机存取存储器)的内存计算

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1月13日,三星电子宣布展示世界上第一个基于MRAM(磁阻随机存取存储器)的内存计算,相关论文于1月12日在Nature发表。SWwesmc

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存内计算给MRAM提供了新的思路,过去MRAM磁阻内存很难用于存内计算,因为MRAM在标准的存内计算架构中无法发挥低功耗优势。三星公司成功开发出新的 MRAM 阵列,通过新型“电阻”和计算架构,替换当前采用的架构。SWwesmc

MRAM有20多年的发展历史,但是由于其电阻特性,商用之路极其缓慢,本次三星与哈佛大学的新研究可能解决了这一障碍,MRAM从此更近一步。SWwesmc

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20年,MRAM默默生长

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上世纪末,前沿半导体公司已经开始对MRAM的研究。1995年摩托罗拉(其芯片部门后独立成为飞思卡尔半导体,飞思卡尔半导体在2015年被恩智浦收购)演示了第一个MRAM芯片,并生产出了1MB的芯片原型。2003年,IBM和英飞凌将磁存储器元件集成到高性能逻辑基中,开发出当时 “最先进的MRAM”。SWwesmc

2007年, IBM和日本TDK合作开发新一代MRAM,使用自旋扭矩转换(spin-torque-transfer , STT)的新型技术,利用放大的隧道效应,使得磁致电阻的变化提升一倍。在一枚邮票大小的芯片上做出了1GB内存,业界意识MRAM在达到DRAM的记录密度的成百上千倍同时,速度比内存技术都要快。SWwesmc

也是在这一年,总部位于波士顿的公司Allied Minds正式成立了STT公司,以这项技术命名,该公司开始营运。2016年9月,STT开发出OST-MRAM技术并在加利福尼亚州总部的晶圆厂制作出20nm的垂直 MRAM 磁穿隧接面(pMTJ)。在STT生产出28nm pMTJ之前,Everspin是唯一一家出货商用MRAM产品的公司。这家成立于2008年的美国公司由飞思卡尔半导体牵头成立,主营MRAM。SWwesmc

在2008年之后的十年间,MRAM已经在通信、军事、数码产品上有了一定的应用。2008年,日本的卫星系统就宣布使用了飞思卡尔的MRAM来替换其所有的闪存元件。MRAM开始商用用了十几年的时间,Intel、格芯、ST意法半导体等公司相继入局,都在MRAM的商用产品上有了自己的产品或技术。2018年的国际电子器件会议(IEDM)上,英特尔展示了嵌入式MRAM在逻辑芯片制造中的新技术。英特尔表示,其嵌入式 MRAM可在200℃下保持10年的记忆期,称之为“首款基于FinFET的MRAM技术”。2019年,英特尔宣布其MRAM已经做好了量产准备,使用22nm FFL FinFET技艺,同年Everspin也宣布旗下的1G MRAM存储芯片进入试生产阶段。SWwesmc

说到MRAM,目前三星仍然是全球专利第一,2002年三星宣布研发MRAM,2005年三星率先研究STT-MRAM,但是此后的十年间,三星对MRAM的研发一直不温不火,成本和工艺的限制,让三星的MRAM研发逐渐走向低调。2014年,三星与意法半导体签订28nm FD-SOI技术(一种与FinFET 齐名的技术)多资源制造全方位合作协议,授权三星在芯片量产中利用意法半导体的FD-SOI技术。当年,三星成功生产出8Mb eMRAM,并利用28nm FDS,在2019年成功量产首款商用eMRAM。2020年,三星首批基于eMRAM的商用产品上市,由其制造的Sony GPS SoCs (28nm FDSOI)被用于华为的智能手表,以及由台积电采用22nm超低漏电制程(ULL)制造的Ambiq低功耗MCU。SWwesmc

此前,IBM曾总结了MRAM的四大应用领域,其中最困难的尚未实现。四大应用中,MRAM最容易实现的是独立内存,它已经存在并替换电池支持的SRAM和DRAM以及缓冲硬盘驱动器方面具有利基应用。第二应用领域是eMRAM,用于SoC。它取代了eNOR Flash,主要用于代码存储。接下来的两个应用都以SRAM为目标,但方式不同。最终的应用是能够用大量廉价的非易失性MRAM替换末级缓存。功耗较低但性能要求非常高。从2021年开始算仍需要几年的时间。SWwesmc

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市场多大?中国有何作为?

Yole Development分析称,到2024年,MRAM的市场规模将增加40倍。2018年MRAM制造技术是40nm,而在2024年,Yole Development预测其制造工艺将减少到16nm,存储容量则会从1Gbit增加到8Gbit。2018年至2024年间,MRAM市场规模将以年均85%的速度增长,到2024年将达到17.8亿美元。现在已经较为成熟的eMRAM在2026年市场规模将达到约17亿美元,相当于整个新兴eNVM市场的76%左右。SWwesmc

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目前台积电、联电、三星、intel等公司同时在对RRAM和MRAM进行投资,eRRAM也将是MRAM强大的对手。根据Yole的统计,台积电已透过嵌入式OxRAM丰富其40nm ULP11制程,目前以22nm制程生产OxRAM。Dialog Semiconductors授权格芯使用Adesto CBRAM技术,目前格芯正将其用于22nm FDSOI上实施,用于低功耗消费类应用。联电正与松下合作开发28nm OxRAM,未来几年或将瞄准进军智能卡市场。SWwesmc

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嵌入式NVM目前工艺。来源:YoleSWwesmc

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中国半导体产业链的公司在MRAM上研究起步较晚, 其中Fabless企业亘存科技是国内少有的已经生产基于MRAM技术的创业公司。SWwesmc

2021年底,亘存科技完成了由深圳高新投正轩基金领投,正轩投资、百度风投、普华资本及陆石投资跟投的数千万元 Pre-A 轮融资。本轮融资主要用于芯片优化、迭代以及团队扩充。亘存科技于2019年成立,在2020年完成企业供应链搭建开始接受订单,目前,亘存科技产品主要基于STT-MRAM技术,亘存科技表示其正在开发已成功流片的一款芯片,首次集成了超过200 M,基于MRAM的近存、存内计算的在研项目也在进行中。SWwesmc

除亘存科技,杭州驰拓、上海磁宇、中芯国际、华为等公司也在筹建自旋芯片的研发、生产线。长江存储、长鑫存储、兆易创新自旋芯片仍处于前期研发阶段,但目前没有进入量产。作为半导体的技术大脑,国内大学和科研院所也在发力。2017年,北京航空航天大学与中国科学院微电子研究所联合成功制备国内首个80nm STT-MRAM器件。SWwesmc

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北航与中科院研发的STT-MRAM存储芯片器件原理图。SWwesmc

来源:中科院微电子所SWwesmc

中科院微电子所表示,其在国内首次采用可兼容CMOS工艺成功制备出直径80nm磁隧道结,器件性能良好,其中器件核心参数包括隧穿磁阻效应达到92%,可实现纯电流翻转且电流密度达到国际领先水平。 SWwesmc

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三星将MRAM用于存内计算的意义

MRAM被称为是内存的下一次革命,从1M到1G,MRAM花了十几年的时间,目前,MRAM仍未得到大范围的商用落地。本次,三星将MRAM用于存内计算仍具有相当大的意义。SWwesmc

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芯片布局与MRAM阵列排布。来源:natureSWwesmc

 存内计算是上个世纪90年代发展起来的。内存计算可以从本质上消除不必要的数据搬运延迟和功耗,AI运算可以得到巨量提升。上文说到MRAM电阻较小,本次三星创新使用电阻加和,降低了支路上的电流,解决了MRAM器件电阻较小的问题,效率也到提升。SRAM和PRAM之前是一众巨头竞争的对象,MRAM的特性就像一座难以逾越的大山,但是本次MRAM的新思路可以将MRAM用在存算一体芯片中,而数据中心、云计算、云宇宙等都是存算一体芯片的新场景、大市场。SWwesmc

借助存内计算的东风,MRAM商用腾飞再添动力。 SWwesmc

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