日前，三星電子又宣布，已經(jīng)全球第一家商業(yè)化規(guī)模量產(chǎn)eMRAM(嵌入式磁阻內(nèi)存)，而且用的是看上去有點(diǎn)“老舊”的28nm FD-SOI(全耗盡型絕緣層上硅)成熟工藝，可廣泛應(yīng)用于MCU微控制器、IoT物聯(lián)網(wǎng)、AI人工智能領(lǐng)域。
三星指出，基于放電存儲(chǔ)操作的eFlash(嵌入式閃存)已經(jīng)越來越難以進(jìn)步，SLC、MLC、TLC、QLC、OLC一路走下來，密度越來越高，但是壽命越來越短，主控和算法不得不進(jìn)行越來越復(fù)雜的補(bǔ)償。
eMRAM則是極佳的替代者，因?yàn)樗腔诖抛璧拇鎯?chǔ)，擴(kuò)展性非常好，在非易失性、隨機(jī)訪問、壽命耐久性等方面也遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)RAM。
使用28nm工藝量產(chǎn)成功，則進(jìn)一步證明三星已經(jīng)克服了eMRAM量產(chǎn)的技術(shù)難題，工藝上更不是問題。
三星表示，28nm FD-SOI工藝的eMRAM可以帶來前所未有的能耗、速度優(yōu)勢(shì)。由于不需要在寫入數(shù)據(jù)前進(jìn)行擦除循環(huán)，eMRAM的寫入速度可以達(dá)到eFlash的大約一千倍，而且電壓、功耗低得多，待機(jī)狀態(tài)下完全不會(huì)耗電，因此能效極高。
另外，eMRAM可以輕易嵌入工藝后端，只需增加少數(shù)幾個(gè)層即可，因此對(duì)于前端工藝要求非常低，可以輕易地使用現(xiàn)有工藝生產(chǎn)線進(jìn)行制造，包括Bulk、Fin、FD-SOI晶體管。
三星還計(jì)劃今年內(nèi)流片1Gb(128MB)容量的eMRAM芯片。
英特爾已經(jīng)為eMRAM大批量生做好準(zhǔn)備
在三星之前，英特爾于今年二月也宣布了在eMARM上的進(jìn)展。
根據(jù)techpowerup的報(bào)道，EETimes上不久前發(fā)布了一份報(bào)告，該報(bào)告顯示英特爾自己的商用MRAM（磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）已經(jīng)準(zhǔn)備好大批量生產(chǎn)。MRAM主要利用磁致電阻的變化來表示二進(jìn)制的0和1，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，是一種非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，這意味著即使斷電情況下，它仍然會(huì)保留住信息，同時(shí)它還有不輸于DRAM的容量密度及使用壽命，平均能耗也遠(yuǎn)低于DRAM。
由于不管是DRAM內(nèi)存還是NAND閃存，制程微縮已遭遇瓶頸，相對(duì)地，MRAM未來制程微縮仍有許多發(fā)展空間，MRAM因此備受期待，認(rèn)為可以取代DRAM內(nèi)存和NAND閃存。
周二提交這篇論文的英特爾工程師Ligiong Wei說，英特爾嵌入式MRAM技術(shù)可在200攝氏度下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)10 年的記憶期，并可在超過100萬個(gè)開關(guān)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)持久性。
MRAM省電的特性，意味著英特爾嵌入式MRAM將很有可能先用于移動(dòng)設(shè)備上。并且嵌入式 MRAM 被認(rèn)為特別適用于例如物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備之類的應(yīng)用，也趕搭上 5G 世代的列車。
嵌入式存儲(chǔ)的救星？
嵌入式存儲(chǔ)是邏輯制程中不可或缺的一環(huán)，過去卻往往讓人忽略。但是邏輯制程推進(jìn)日益艱辛，嵌入式存儲(chǔ)制程推進(jìn)的難處全浮上臺(tái)面。主要是存儲(chǔ)與主要的CMOS制程差距甚大，而單獨(dú)(stand alone)的存儲(chǔ)與嵌入式存儲(chǔ)的制程又不盡相同，無可借力，因此發(fā)展額外吃力。
但是正因?yàn)榍度胧酱鎯?chǔ)發(fā)展遲緩，它在芯片上面積的占比越來越高，引起注意。先是eFlash，eFlash當(dāng)然是NOR Flash，是微處理器、微控制器中通常用來儲(chǔ)存程式碼的地方。到了40nm/28nm，有些應(yīng)用中eFlash面積可能占芯片面積的30%，快要反客為主了。而20nm以下，eFlash的微縮更加困難－事實(shí)上，獨(dú)立的NOR Flash現(xiàn)在最先進(jìn)制程也不過45nm。兼之制程復(fù)雜，eFlash制程要于原本邏輯制程上外加9~12道光罩，寫入速度緩慢，又不耐久，需要替代工藝。
大部分代工廠在28nm這一技術(shù)節(jié)點(diǎn)，普遍都提出eMRAM此一菜單。eMRAM的制程和MRAM相似，加在邏輯制程中只需額外3道光罩，面積大概在50平方特征尺寸(feature size)，速度快又耐用，資料存留10年，替代的理所當(dāng)然。
有趣的是這些即將要量產(chǎn)eMRAM的代工大廠中，其MRAM技術(shù)或多或少是購并或授權(quán)而來的。
先是三星電子(Samsung Electronics)在2011年購并了Grandis－一家發(fā)明STT MRAM的公司，值得注意的是三星讓它先加入存儲(chǔ)部門的運(yùn)作，最早的想法是讓MRAM成為DRAM的替代品。在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，這是近乎不可能完成的任務(wù)。
eDRAM在40nm以下原來已被放棄，但在「全空乏絕緣上覆矽」(Fully Depleted Silicon On Insulator；FD-SOI)技術(shù)出來后似有復(fù)起之勢(shì)，用來替代邏輯線路中部分的SRAM，降低面積和功耗。但是獨(dú)立DRAM制程推進(jìn)已十分吃力，至十幾nm已經(jīng)非常艱困，而它的電容器因底面積縮小必須堆高以維持一定電容，這個(gè)與周遭的邏輯制程格格不入，MRAM此時(shí)又出來救援。
MRAM的刻板印象是永久存儲(chǔ)，但是若愿意降低其資料存留時(shí)間，則其寫入時(shí)間可以加快、寫入電流降低，這就活生像DRAM了。事實(shí)上，在eMRAM的寫入速度降到如DRAM的10ns時(shí)，其資料存留時(shí)間還有將近1天，也就是說eMRAM不必像DRAM時(shí)時(shí)需要資料更新(refresh)，因此同時(shí)節(jié)省大量更新電流所造成的功耗。5~7nm的世代，以eMRAM來做為中央處理器的L3高速緩存(cache)已經(jīng)近乎定案。
SRAM的問題最棘手。目前有些SoC中的SRAM已占芯片面積50%以上，而且情況持續(xù)惡化之中。16nm FINFET制程中SRAM的單元面積約為275平方特征尺寸，預(yù)計(jì)到3nm時(shí)單元面積成長(zhǎng)至約為675平方特征尺寸，在芯片面積中的占比會(huì)更高。這里面有一部分的問題因?yàn)橐詄MRAM來做為L(zhǎng)3高速緩存得到緩解，但是eMRAM的寫入速度能不能再高？寫入電流能不能再降？這是eMRAM能不能邁向取代L2高速緩存的關(guān)鍵。這個(gè)問題，我持審慎樂觀的態(tài)度。
MRAM從1995年進(jìn)入研發(fā)領(lǐng)域的雷達(dá)，現(xiàn)在于嵌入式存儲(chǔ)算是建立橋頭堡了。
對(duì)產(chǎn)業(yè)造成的可能影響
值得注意的是，這些即將要量產(chǎn)，或者已經(jīng)eMRAM的代工大廠中，其MRAM技術(shù)或多或少是購并或授權(quán)而來的。
先是三星電子(Samsung Electronics)在2011年購并了Grandis－一家發(fā)明STT MRAM的公司，值得注意的是三星讓它先加入存儲(chǔ)部門的運(yùn)作，最早的想法是讓MRAM成為DRAM的替代品。在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，這是近乎不可能完成的任務(wù)。
臺(tái)積電與高通(Qualcomm)的MRAM合作起始甚早，在2009年就發(fā)表45nm的嵌入式制程。中間斷斷續(xù)續(xù)的做了幾年，在2016年與TDK Headway合作后再重新拾起研發(fā)動(dòng)量。GlobalFoundries也是在2016年與Everspin合作后，加入eMRAM研發(fā)的行列。后續(xù)的相同模式還有聯(lián)電與Avalanche和力晶與IBM。
這里面除了IBM之外，掌握MRAM技術(shù)的公司都是新創(chuàng)的小公司。就連已有產(chǎn)品在市場(chǎng)銷售多年的Everspin，最近的季報(bào)才接近損益兩平，其市值有人估算在2.5億美元左右，都是不折不扣的小公司。
MRAM并不是最近才有的技術(shù)。我有個(gè)朋友從事此領(lǐng)域研發(fā)已有23年，并且早在2010年就出過書，我10余年前也曾經(jīng)在DIGITIMES介紹過MRAM。到現(xiàn)在為止，eMRAM制程已成為邏輯代工不可或缺的先進(jìn)制程技術(shù)，甚至于在stand-alone存儲(chǔ)領(lǐng)域，由于DRAM制程在1y以后進(jìn)展舉步維艱、MRAM的寫入電流大幅降低，MRAM進(jìn)入純存儲(chǔ)領(lǐng)域再也不是遙不可及。
在這樣重要的領(lǐng)域，為什么半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)沒有及早投入呢？自然，合并與收購也是大企業(yè)快速取得技術(shù)、產(chǎn)品和市場(chǎng)的手段，制藥領(lǐng)域就有很多知名的例子。但是與制藥產(chǎn)業(yè)不同的是半導(dǎo)體并沒有很多的新產(chǎn)品、或新技術(shù)多到無法涵蓋。以存儲(chǔ)而言，再早10年新存儲(chǔ)的候選技術(shù)也只是MRAM、PCRAM和ReRAM等幾種。核心技術(shù)由內(nèi)部發(fā)展和由外部收購、授權(quán)在量產(chǎn)時(shí)程上和融入的程度會(huì)有很大的差異。
會(huì)出現(xiàn)這種尷尬狀況的理由可能是半導(dǎo)體業(yè)界，尤其是已于其中浸潤(rùn)數(shù)十年的管理層人員，已經(jīng)太習(xí)慣于摩爾定律的線性演進(jìn)思維。摩爾定律有既定的演進(jìn)方向以及必然帶來的經(jīng)濟(jì)效益－每代每個(gè)晶粒成本大約下降30%，以及一定會(huì)買單的顧客和市場(chǎng)。除了在這個(gè)既定的航程上精益求精之外，對(duì)于新興的材料、元件和技術(shù)，通常感覺是持疑。我最常聽到的話是「我們是不見兔子不撒鷹」。
可是摩爾定律開始放緩，除了3D制程可能還有類似摩爾定律的節(jié)奏外，其他的半導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)增值方式變得很多元。而且從科學(xué)轉(zhuǎn)為科技的速度來的又快又急，跟MRAM技術(shù)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)2007才頒發(fā)，11年后就商業(yè)量產(chǎn)。見了免子再撒鷹，怕是來不及了！怎樣改變研發(fā)策略、整頓研發(fā)結(jié)構(gòu)、重新分配研發(fā)資源恐怕已經(jīng)是刻不容緩的事。