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IBM的STT-MRAM技術已經接近突破點,離成功不遠了

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科技產業資訊室 (iKnow) - Kyle 發表於 2021年3月22日

圖、MRAM應用領域
 
磁阻式RAM(MRAM)是針對廣泛的商業可用性之中的幾種新型的非揮發性記憶體(NVM)技術之一,但是要將MRAM設計到晶片和系統中,並不像其他類型的記憶體那麼簡單。簡單來說,MRAM必須針對其預期目的進行相關調整。

由於,關鍵的磁性穿隧結(MTJ)設計和周圍電路,都會對器件特性產生影響,因此,設計人員必須先在想進入的目標市場上,針對讀寫速度、數據保留和耐用性的需求上找到一個平衡點,然後做出最佳的設計。

IBM正在開發一種稱為“STT-MRAM(Spin-Transfer-Torque MRAM)”的技術。目前來說,IBM認為STT-MRAM可以針對四個不同的應用領域發展,不過,其中最困難的領域尚未實現。

第一個應用領域是最容易實現的獨立記憶體領域。

其可以替代需要電池供電的SRAM和DRAM以及當成硬碟的緩衝記憶體,不過,這屬於利基應用。未來如果能夠全面取代DRAM,才是重點。

第一個應用,是進入嵌入式記憶體領域,用於系統單晶片之上(SoC)。

在這一市場,MRAM可以取代了嵌入式NOR快閃記憶體,主要用於代碼儲存。但是MRAM永遠不會取代NAND快閃記憶體的地位。主要挑戰是與CMOS進行整合之成本。三星已經在該市場上製造了28奈米絕緣體上矽(SOI)生產線上的STT-MRAM。

另外兩個應用領域都是以取代SRAM為目標,但是方式不同。

第一個用於可能依靠電池運行的小型可攜式裝置,例如:物聯網(IoT)、穿戴式裝置等。其好處是採用MRAM的功耗低,且搭配更簡單的單一記憶體系統。

最終的應用領域,目前尚未實現,主要是希望能夠生產出大量廉價的非揮發性MRAM代替最後一級用於高性能運算與人工智慧之緩衝記憶體,這將是商機最大的一塊。IBM認為要實現這一夢想,可能還需要幾年的時間,因此IBM將達到這一目標當成該產品的『聖杯』。

到目前為止,Everspin Technologies已生產出STT-MRAM並進入高階超信賴緩衝記憶體市場領域。至於IBM的FlashCore模組,亦是使用STT-MRAM技術,但是其卻瞄準最後一級的高階緩衝記憶體市場。為了達到這一市場標準,IBM必須將讀寫時間從30-70ns縮短至2ns。而且,STT-MRAM的耐用性需要從目前的1010次寫入提高到幾乎無限的數據保留。

IBM Research於2020年已經解決了四個挑戰,分別是
  1. 切換狀態所需的時間必須在2-3ns範圍內。
  2. 切換必須可靠,寫入錯誤率應低至1e-9。
  3. 開關電壓分佈必須在狹窄的範圍內,以實現一致的操作。
  4. 必須在5或7奈米的微處理器中,可以進行製造流程。
現今只有一個問題尚未解決,那就是切換狀態所需的電流必須減少約50%。一旦達成,將對STT-MRAM來說,是一項新革命的開始。(750字)


參考資料:
MRAM Evolves In Multiple Directions. Semiconductor Engineering, 2021/3/11
IBM Nears Breakthrough In New Memory Class. Forbes, 2021/3/10 


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