MRAM越来越关注最小的节点

Magneto-resistive随机存取存储器(MRAM)似乎是最先进的节点获得青睐,部分是因为最近记忆本身的改进,部分原因是新市场需要MRAM有资格的解决方案。

仍然有很多怀疑论者的时候MRAM,大量的潜在竞争对手。,MRAM有限利基的角色在过去的几十年里,受到高成本,低密度,低的耐力。但是支持者的数量正在增长。

图1:独立内存年出货量pb, 2022 - 2033。来源:客观分析/ Coughlin Associates 2023

今天有两个主要类型的MRAM,独立和嵌入式,和三个主要应用领域:

• 非易失性RAM (NVRAM),这是eMRAM与嵌入式SRAM和嵌入式DRAM竞争;
• eMRAM,可以设计最先进的节点与flash,竞争
• 帧缓冲MRAM,通常旨在显示。

“帧buffer-type MRAM是用于摄影或录像和针对耐力和速度,”马丁Keim说,高级工程Tessent主管西门子EDA。“权衡是波动只是几秒钟。但如果你只是捕捉一幅画,它需要存储第二个内部硅,然后它将搬到永久存储。最终,不同mram的优势真的可以归结为您想要构建什么。”

MRAM铸造厂提供不同的变体,每个都有不同的PPA指标。“有必要在市场空间不同的变异eMRAM提供某些PPA指标,“说Bhavana Chaurasia,产品经理Synopsys对此。“例如,一个可能更SRAM-like,这将是更高的速度和更小的区域,但保存期较低,相对于非易失性eMRAM,这将有更高的停留时间以较慢的速度和面积稍微大一点点。现在你有了灵活性,根据应用程序和目标市场,你可以决定使用哪种类型的eMRAM SoC。”

MRAM不是扣篮尖端节点,它肯定不会取代DRAM,最初的目标。“一些新兴记忆技术先进,他们已经能胜任生产密度Mb和Gb之间,”加里·布朗解释说,高级副总裁Rambus实验室。“这些包括相变内存,如PCM或3 d Xpoint, MRAM,和ReRAM。代替DRAM,然而,这些记忆会需要类似的性能以提高DRAM成本。没有一个新兴的记忆尚未能够取代DRAM演示所需的成本和性能。MRAM和ReRAM发现房屋置换为嵌入式flash, MRAM是更高性能、高成本的选择,和ReRAM是具有成本效益的选择。”

不过,MRAM的足迹似乎正在扩大。更新的发展帮助克服其历史的局限性。同时,flash是有限的尖端节点,MRAM尤其适合汽车应用。

“MRAM来到微电子行业的重要性,因为有一个缺乏解决方案来取代闪存在先进的逻辑节点,“Sebastien Couet说,项目负责人在imec磁学。“STT MRAM基本上一直在生产在过去两到三年在铸造厂。这是一个重要的第一步,因为它是非常罕见的引进新的内存技术。SRAM, DRAM和闪存进化出了很多在过去的50年,但从根本上讲,他们是相同的技术。我们达到大批量制造能力(MRAM)是一个非常重要的里程碑。预计在未来5到10年内增长大大。”

MRAM应用程序
磁技术,MRAM是固有的辐照。让航空航天应用程序的独立版本的流行,也对价格较不敏感。“这是相对大,在记忆的世界里,规模意味着成本,“Couet说。”这对航天器,可以花€5000几兆字节的内存,但显然是不利于消费者市场。”

MRAM也找到了一个家庭在企业存储,像IBM这样的flash核心模块(图3,1)上校,Everspin MRAM作为缓冲的地方以防意外的功率损耗。

此外,MRAM是用于工业应用,指出吉姆方便,与客观分析首席分析师。作为一个例子,他指出如何阻止精心设计的工业机器人相互冲突断电后重启时通过保留正确的手臂位置。

“其中的一些应用程序需要有一个非常快的写能力,需要非易失性,“方便解释道。“今天的大额非易失性记忆是NAND闪存,flash, EPROM,这是一个非常小的市场。这三个有非常慢写速度和消耗大量的能量,这使他们不受欢迎的对某些需要快速存储数据的应用程序。另一种选择是SRAM,电池支持它,但这是不受欢迎的,因为电池需要每两年更换一次。”

eMRAM在汽车
但它的汽车,真的有倾斜的平衡,从flash转向eMRAM因为增加要求单片机与创建flash的增加成本,这可能需要十几个面具。

“低于32 nm节点,co-integrating闪存的CPU成本飞涨,因为制造方法是不同的逻辑,“imec的Couvet说。“你需要具体步骤的工厂只做闪光灯。在某种程度上,它真的变得疯狂,flash制作成本超过休息,所以这个行业正在寻找解决方案。”

解决方案是eMRAM。在2022年,瑞萨解决这个问题在其声明的STT-MRAM测试芯片在2002年的VLSI研讨会”,MRAM捏造BEOL优越闪存捏造相比FEOL sub-22纳米过程,因为它是兼容现有的CMOS逻辑过程技术和更少的需要额外的屏蔽层,”该公司表示。

IBM甚至更为乐观。“在三年左右,你可以指出,每一个新的汽车在街上说里面有eMRAM那辆车,”Daniel Worledge说,杰出的研究人员和高级经理IBM。“没有更多的嵌入式flash高级节点,所有的铸造厂已停止发展。过渡时期22纳米,28 nm,根据铸造。”

嵌入式MRAM也是固有的可伸缩性。“eFlash达到其极限规模低于28 nm,虽然eMRAM你可以设计嵌入式非易失性记忆支持低技术节点,“Chaurasia说。“核心的好处是实现可伸缩性以及记忆。记忆可以是相同的一部分死去,这有助于实现一个更小的区域和更好的性能和权力相比,另一个选择,让记忆在一个单独的死亡,导致界面性能和功率损耗,增加安全隐患。eMRAM提供一个较小的区域,低泄漏、高能力,辐射和更好的免疫力。极化和ReRAM相比,eMRAM有较低的温度敏感性,提供更好的生产级产量,并提供长耐力(保留数据在多个读/写周期多年)。它允许也能进行删除和程序操作,使其成为低功耗NVM的解决方案。所有这些好处让eMRAM极好的eNVM。”

所有的这些好处可以让eMRAM汽车未来的记忆,至少根据其支持者。然而,并不是每个人都同意。

“当我们谈论汽车客户,他们更喜欢ReRAMs mram,“Keim说。“我们听到的参数是温度稳定性和担忧在汽车环境中磁场影响MRAM中存储的数据。对于前者,目前MRAM类型有汽车市场所需的温度稳定性(-40 c + 150 c)。这表明,MRAM技术迅速扩大到应用程序空间的各个角落。这是一个不同的问题他们的随笔已经发展到什么程度,所以汽车用户可以选择那些在市场上现成的。”

另一方面,mram非常狭窄的法律读值0和1之间的差距(见下面的修边讨论)。这个小差距的缩小和转变温度上升,使它更加难以安全地解释读值。0和1之间的电阻差距在ReRAMs更广泛,更容易阅读,也就是说。,更容易在高温下运转。

即便如此,这可能NXP和台积电宣布第一16 nm finFET eMRAM汽车,可以更新20 mb的代码相比,大约3秒闪1分钟,提供多达100万更新周期和耐力水平10 x大于flash内存和其他新兴技术。

旧的和新的内存类型之间的竞争不仅仅是技术和资金。想象一下如果救护车不得不暂停一分钟之前开始。

技术的进步
像许多设备在技术行业,MRAM诺贝尔奖获得者开始工作。在这种情况下,它的发现巨磁阻这个概念,潜在的硬盘存储。下一个突破是自旋转矩(STT)效应的磁层的取向磁隧道结(MTJ)或自旋阀使用一个自旋极化的电流,可以修改。

这一新的物理了更有效的mram。MTJ STT mram的核心是由两个磁性电极和一个介质之间的隧道结。“基本上,MJT负责检测的磁状态的两个电极,“Couet解释道。“在MRAM固定磁铁,隧道结,然后一个免费的磁铁,你可以计划是指向上或向下,例如。那么你比较。之后,结的阻力取决于电极的对齐。如果两个电极排列在平行配置的磁州,然后他们有一个低电阻。如果他们反平行,他们有高电阻。出一种手段区分磁铁指向向下,所以你可以存储信息。磁铁可以稳定在很长一段时间,从硬盘驱动器众所周知。”

STT MRAM目前主导。早期形式,field-switched MRAM(现在被称为切换MRAM),第一次被带到市场于2006年由摩托罗拉的飞思卡尔,剥离和Everspin技术。Everspin提供大部分的独立MRAM在今天的市场上切换和STT形式。

“在MRAM切换,通过应用磁场极性改变MTJ,”乔奥黑尔解释说,高级营销主任Everspin。”相比之下,STT MRAM技术使用自旋扭矩属性,或操纵电子的自旋极化电流。”

图2:切换field-switched和自旋转矩磁隧道结的操作。来源:Everspin

在2010年,Worledge和IBM同事Ohno实验室在日本东北大学,发表论文显示垂直STT MRAM,启发当前的利益。“在那之前,MRAM是一种实验室的好奇心,“Worledge说。“你可以让一些但是他们没有开关可靠。原因是所有的磁化是平面的,但这是非常低效的。你想要什么是磁化垂直于这个平面晶片”。

虽然理论上已经知道答案1996年,需要十多年工艺正确的组合的物理和材料达到最佳的切换。“垂直位解决写作问题,”Worledge解释道。“这就是开始的兴奋。所有的大公司跳STT RAM和开始工作。”

还有一个名为在手性力矩的新变化(说)mram imec已经精炼。Couet解释说博客”的主要区别STT - SOT-MRAM驻留在当前注入几何用于编写过程。在STT-MRAM,当前垂直地注入MTJ,电流注入SOT-MRAM发生平面,在隔壁说层。”

学习曲线
尽管如此,复杂的物理方法有复杂性与mram设计师需要注意的。

“当你买一个SRAM或DRAM市场,他们都或多或少相同的,“Keim说。“mram,所有不同的底层物理和属性,你可以遇到麻烦如果你选择错了。”

mram有概率性的行为,所以他们也有很多误差修正。“通常情况下,您有一个ECC也许一点误差校正和两位错误检测。MRAM是一个级别,至少低廉的校正和三位检测,”Keim说。“然后,选举投诉委员会将MRAM的不正确。所以,你得到一个确定的行为,就像SRAM,但成本你。”

还有一个额外的问题。“当你打开SRAM和你写作和阅读,它可以很好地工作。MRAM,你首先要训练你的阅读和写作在实际电路性能的细胞,在所谓的“修剪”,他说。“削减意味着你必须找到你的比较价值,你的电阻的值,让你决定如果你刚才读应被视为一个0或1。所以整个周期MRAM的修剪学习读和写的需要。”

这还没结束。“记忆的不同部分需要不同的值。有一个整体过程,事情真的工作,”他说。“一旦你完成了,你有你的加强ECC,你所做的调整电路,这需要芯片上。太多数据片外完成,这将是太耗时和昂贵的。所以你需要额外的硬件投资只是为了学习。唯一可行的解决方案是做所有这些芯片上,完全自动化和自包含的。为了进一步降低成本,你想利用DFT,即内存内建自测(MBiST)引擎。”

好消息是,毕竟,额外的时间和金钱投资,内存工作的很好。

MRAM的热优势
热是DRAM的弱点。温度升高导致其电容器刷新和丢失数据。“DRAM是很难使用的技术。它忘记事情以毫秒为单位,需要离线定期刷新,“组主任马克·格林伯格说,产品营销节奏。“这是容易受到热和辐射。”

相比之下,eMRAM是成功的一个重要原因是,它在高温下保持稳定,以至于它可以通过焊料回流保留数据。然而,它的热优势也解释了其相对缺乏耐力。

“因为你需要有很好的数据保留为了抵御焊料回流,你必须做出一些真的很难磁开关,因为你不想让它在热波动开关,”IBM的Worledge说。“这意味着也很难开关当你写它,所以你必须施加一个较大的电压。较大的电压将随着时间的推移损害采用隧道势垒。”

MRAM磁场缺点
每种技术都有它的致命弱点。对于MRAM,强大的磁场。

“就像任何磁性组件,eMRAM其他磁性元件,应保持距离”Chaurasia说。“例如,可以有电感线圈在一个SoC或死亡。这些设备之间有一定距离减少了磁效应。因此,它必须保持在设计芯片。对片外磁免疫,先进的包装可以提供保护。空气间隙eMRAM块或以上设备还可以提供免疫磁敏感。”

与接近MRI机器,这是一个禁忌,IBM的Worledge说接近汽车和小电感线圈不应该是一个问题。然而,他建议一个噩梦般的场景——攻击者使用钕铁硼磁铁可能会禁用eMRAM芯片,所以最好把这些芯片至少一厘米远离表面的设备,特别是汽车。

MRAM的未来
有很多适合MRAM短期和长期的发展。手机缓存,MRAM将取代flash和SRAM,市场可能会在未来两年内,根据IBM的Worledge。“从研发的角度来看,我认为我们做的。我们已经展示了磁隧道结能满足这些需求,我们希望铸造厂很快将提供商业发行。”

图3:独立MRAM和嵌入式非易失性MRAM已经在市场上。手机缓存MRAM和最后一级缓存MRAM发展。来源:IBM

在eMRAM Worledge自信有一个杀手级应用的未来。“假设你有一个物联网设备,由太阳能提供动力。也许这是一个安全系统的一部分。通常是,也许有一些传感器拾取一些音频。当音频变得足够响亮,它醒来,并试图确定与一些人工智能算法是否有入侵者。没有eMRAM,它会醒来,这个人工智能程序的重量从flash加载到存储器,然后运行人工智能程序。如果权重更新,他们不得不写回闪,这是非常有限的。但单独使用eMRAM,当设备醒来,就开始操作,因为所有的权重已经在eMRAM。”

这样的计划将会低于SRAM,但相比优势是低功率写入数据之间来回flash存储器,和它的耐力会使它适合现场操作,他说。

IBM的“圣杯”,该公司一直致力于近四分之一个世纪,是最后一级缓存。当前缓存方案取决于SRAM工作记忆和有打嗝称为“缓存小姐,”的数据不在SRAM。这力量SRAM一路DRAM获取数据。

“这是一个非常缓慢的,像35纳秒或50纳秒往返“Worledge说。“你真想有一个更大的SRAM缓存如果你能。如果MRAM SRAM密度的两倍,你会有两倍的比特。比SRAM会慢一点,但是你超过弥补慢速度有两倍的碎片。”

Worledge相信他们终于在距离。“这是一个非常具有挑战性的应用程序,因为你需要MRAM是非常密集,而且非常快和高耐力,”他说。“我们仍然需要降低开关电流。我们发明了我们发表的新产品“双自旋转矩磁隧道结,降低开关电流的两倍。我们甚至显示250 -皮秒切换,这是令人难以置信的速度比其他所有MRAM出版物。有很多的承诺,但我们仍然在研究模式”。

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