三星宣布量产eMRAM,嵌入式存储迈入新时代

EDA365 2019-03-08 11:52
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日前,三星电子又宣布,已经全球第一家商业化规模量产eMRAM(嵌入式磁阻内存),而且用的是看上去有点“老旧”的28nm FD-SOI(全耗尽型绝缘层上硅)成熟工艺,可广泛应用于MCU微控制器、IoT物联网、AI人工智能领域。


三星指出,基于放电存储操作的eFlash(嵌入式闪存)已经越来越难以进步,SLC、MLC、TLC、QLC、OLC一路走下来,密度越来越高,但是寿命越来越短,主控和算法不得不进行越来越复杂的补偿。


eMRAM则是极佳的替代者,因为它是基于磁阻的存储,扩展性非常好,在非易失性、随机访问、寿命耐久性等方面也远胜传统RAM。


使用28nm工艺量产成功,则进一步证明三星已经克服了eMRAM量产的技术难题,工艺上更不是问题。


三星表示,28nm FD-SOI工艺的eMRAM可以带来前所未有的能耗、速度优势。由于不需要在写入数据前进行擦除循环,eMRAM的写入速度可以达到eFlash的大约一千倍,而且电压、功耗低得多,待机状态下完全不会耗电,因此能效极高。


另外,eMRAM可以轻易嵌入工艺后端,只需增加少数几个层即可,因此对于前端工艺要求非常低,可以轻易地使用现有工艺生产线进行制造,包括Bulk、Fin、FD-SOI晶体管。


三星还计划今年内流片1Gb(128MB)容量的eMRAM芯片。



英特尔已经为eMRAM大批量生做好准备


在三星之前,英特尔于今年二月也宣布了在eMARM上的进展。


根据techpowerup的报道,EETimes上不久前发布了一份报告,该报告显示英特尔自己的商用MRAM(磁阻随机存取存储器)已经准备好大批量生产。MRAM主要利用磁致电阻的变化来表示二进制的0和1,从而实现数据的存储,是一种非易失性存储技术,这意味着即使断电情况下,它仍然会保留住信息,同时它还有不输于DRAM的容量密度及使用寿命,平均能耗也远低于DRAM。


由于不管是DRAM内存还是NAND闪存,制程微缩已遭遇瓶颈,相对地,MRAM未来制程微缩仍有许多发展空间,MRAM因此备受期待,认为可以取代DRAM内存和NAND闪存。



周二提交这篇论文的英特尔工程师Ligiong Wei说,英特尔嵌入式MRAM技术可在200摄氏度下实现长达10 年的记忆期,并可在超过100万个开关周期内实现持久性。



MRAM省电的特性,意味着英特尔嵌入式MRAM将很有可能先用于移动设备上。并且嵌入式 MRAM 被认为特别适用于例如物联网 (IoT) 设备之类的应用,也赶搭上 5G 世代的列车。



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嵌入式存储的救星?
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嵌入式存储是逻辑制程中不可或缺的一环,过去却往往让人忽略。但是逻辑制程推进日益艰辛,嵌入式存储制程推进的难处全浮上台面。主要是存储与主要的CMOS制程差距甚大,而单独(stand alone)的存储与嵌入式存储的制程又不尽相同,无可借力,因此发展额外吃力。


但是正因为嵌入式存储发展迟缓,它在芯片上面积的占比越来越高,引起注意。先是eFlash,eFlash当然是NOR Flash,是微处理器、微控制器中通常用来储存程式码的地方。到了40nm/28nm,有些应用中eFlash面积可能占芯片面积的30%,快要反客为主了。而20nm以下,eFlash的微缩更加困难-事实上,独立的NOR Flash现在最先进制程也不过45nm。兼之制程复杂,eFlash制程要于原本逻辑制程上外加9~12道光罩,写入速度缓慢,又不耐久,需要替代工艺。


大部分代工厂在28nm这一技术节点,普遍都提出eMRAM此一菜单。eMRAM的制程和MRAM相似,加在逻辑制程中只需额外3道光罩,面积大概在50平方特征尺寸(feature size),速度快又耐用,资料存留10年,替代的理所当然。


有趣的是这些即将要量产eMRAM的代工大厂中,其MRAM技术或多或少是购并或授权而来的。


先是三星电子(Samsung Electronics)在2011年购并了Grandis-一家发明STT MRAM的公司,值得注意的是三星让它先加入存储部门的运作,最早的想法是让MRAM成为DRAM的替代品。在当时的技术条件下,这是近乎不可能完成的任务。


eDRAM在40nm以下原来已被放弃,但在「全空乏绝缘上覆矽」(Fully Depleted Silicon On Insulator;FD-SOI)技术出来后似有复起之势,用来替代逻辑线路中部分的SRAM,降低面积和功耗。但是独立DRAM制程推进已十分吃力,至十几nm已经非常艰困,而它的电容器因底面积缩小必须堆高以维持一定电容,这个与周遭的逻辑制程格格不入,MRAM此时又出来救援。


MRAM的刻板印象是永久存储,但是若愿意降低其资料存留时间,则其写入时间可以加快、写入电流降低,这就活生像DRAM了。事实上,在eMRAM的写入速度降到如DRAM的10ns时,其资料存留时间还有将近1天,也就是说eMRAM不必像DRAM时时需要资料更新(refresh),因此同时节省大量更新电流所造成的功耗。5~7nm的世代,以eMRAM来做为中央处理器的L3高速缓存(cache)已经近乎定案。


SRAM的问题最棘手。目前有些SoC中的SRAM已占芯片面积50%以上,而且情况持续恶化之中。16nm FINFET制程中SRAM的单元面积约为275平方特征尺寸,预计到3nm时单元面积成长至约为675平方特征尺寸,在芯片面积中的占比会更高。这里面有一部分的问题因为以eMRAM来做为L3高速缓存得到缓解,但是eMRAM的写入速度能不能再高?写入电流能不能再降?这是eMRAM能不能迈向取代L2高速缓存的关键。这个问题,我持审慎乐观的态度。


MRAM从1995年进入研发领域的雷达,现在于嵌入式存储算是建立桥头堡了。


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对产业造成的可能影响
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值得注意的是,这些即将要量产,或者已经eMRAM的代工大厂中,其MRAM技术或多或少是购并或授权而来的。


先是三星电子(Samsung Electronics)在2011年购并了Grandis-一家发明STT MRAM的公司,值得注意的是三星让它先加入存储部门的运作,最早的想法是让MRAM成为DRAM的替代品。在当时的技术条件下,这是近乎不可能完成的任务。


台积电与高通(Qualcomm)的MRAM合作起始甚早,在2009年就发表45nm的嵌入式制程。中间断断续续的做了几年,在2016年与TDK Headway合作后再重新拾起研发动量。GlobalFoundries也是在2016年与Everspin合作后,加入eMRAM研发的行列。后续的相同模式还有联电与Avalanche和力晶与IBM。


这里面除了IBM之外,掌握MRAM技术的公司都是新创的小公司。就连已有产品在市场销售多年的Everspin,最近的季报才接近损益两平,其市值有人估算在2.5亿美元左右,都是不折不扣的小公司。


MRAM并不是最近才有的技术。我有个朋友从事此领域研发已有23年,并且早在2010年就出过书,我10余年前也曾经在DIGITIMES介绍过MRAM。到现在为止,eMRAM制程已成为逻辑代工不可或缺的先进制程技术,甚至于在stand-alone存储领域,由于DRAM制程在1y以后进展举步维艰、MRAM的写入电流大幅降低,MRAM进入纯存储领域再也不是遥不可及。


在这样重要的领域,为什么半导体产业没有及早投入呢?自然,合并与收购也是大企业快速取得技术、产品和市场的手段,制药领域就有很多知名的例子。但是与制药产业不同的是半导体并没有很多的新产品、或新技术多到无法涵盖。以存储而言,再早10年新存储的候选技术也只是MRAM、PCRAM和ReRAM等几种。核心技术由内部发展和由外部收购、授权在量产时程上和融入的程度会有很大的差异。


会出现这种尴尬状况的理由可能是半导体业界,尤其是已于其中浸润数十年的管理层人员,已经太习惯于摩尔定律的线性演进思维。摩尔定律有既定的演进方向以及必然带来的经济效益-每代每个晶粒成本大约下降30%,以及一定会买单的顾客和市场。除了在这个既定的航程上精益求精之外,对于新兴的材料、元件和技术,通常感觉是持疑。我最常听到的话是「我们是不见兔子不撒鹰」。


可是摩尔定律开始放缓,除了3D制程可能还有类似摩尔定律的节奏外,其他的半导体经济增值方式变得很多元。而且从科学转为科技的速度来的又快又急,跟MRAM技术相关的诺贝尔奖2007才颁发,11年后就商业量产。见了免子再撒鹰,怕是来不及了!怎样改变研发策略、整顿研发结构、重新分配研发资源恐怕已经是刻不容缓的事。


(来源:半导体行业观察)

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