日前，晶圓大廠格芯宣布，其22nm FD-SOI 平臺的嵌入式eMRAM已投入生產(chǎn)。公司也在接洽多家客戶，計劃2020年安排多次生產(chǎn)流片。此次公告是一個重要的行業(yè)里程碑，表明eMRAM可在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、通用微控制器、汽車、終端人工智能和其他低功耗應用中作為先進工藝節(jié)點的高性價比選擇。

而據(jù)Yole數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，到2024年，eMRAM將增長到12億美元，這得益于一些大型公司的支持。而獨立的MRAM市場預計將比eMRAM市場增長緩慢，到2024年的銷售額約為5.8億美元。后者更將帶動晶圓代工廠涉足這個市場，多年醞釀之后，eMRAM終于要爆發(fā)了？

eMRAM確立領先地位

MRAM是Magnetic Random Access Memory的縮寫，中文名稱“磁性隨機存取存儲器”。而eMRAM是指嵌入式磁性隨機存取存儲器，可作為系統(tǒng)級芯片（SoC、MCU 等）產(chǎn)品的片上存儲解決方案。

不同于傳統(tǒng)半導體存儲器如DRAM、SRAM 和 NAND 閃存等利用電子的電荷特性進行數(shù)據(jù)存儲，eMRAM的技術(shù)原理是利用電子的自旋特性實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，其核心存儲器件為磁性隧道結(jié) MTJ。

要說eMRAM的發(fā)展機會，就不得不先談起嵌入式閃存（eFlash）。

eFlash是一種存儲模塊，用于將信息存儲在系統(tǒng)半導體中，例如微電子單元（MCU）和用于小型電子產(chǎn)品（如IoT設備）的SoC中的信息。專家認為，28nm / 22nm硅光刻節(jié)點將是eFlash的最后一個具有成本效益的技術(shù)節(jié)點，而向22nm幾何尺寸的過渡就必須找到一種新的嵌入式NVM技術(shù)，來適用于新型且快速增長的低功耗應用的替代產(chǎn)品。要知道這是由于經(jīng)濟原因，而不是技術(shù)可伸縮性限制。

eMRAM時代的到來很大程度上是因為嵌入式NOR閃存需要太多的掩碼（一打或更多）才能在28nm節(jié)點或更高的節(jié)點上制造，嵌入式NOR閃存也需要高電壓才能寫入數(shù)據(jù)，而且寫入時間相當長。

與NAND閃存比較的話，eMRAM的單元大小與NAND閃存相當。但是，與NAND閃存不同，它僅需要額外的2或3個掩模層，這使得添加到CMOS裸片變得容易得多。與NAND閃存不同，它沒有耐久性問題。這將是非常重要的，特別是對于那些由于大量寫入活動而導致NAND閃存故障的現(xiàn)場問題的公司而言。

相較于其他新興嵌入式NVM，除了卓越的性能，eMRAM也具備更高的技術(shù)成熟度：成熟的磁學物理理論，簡單可控的寫入機制 （無需先擦除再寫入，也無需分步寫入），單比特出錯率低，業(yè)界已經(jīng)有28納米以下的成品，可展示多個Megabit陣列，高良率，高可靠性，并能夠與先進工藝無縫融合。下圖為不同嵌入式NVM技術(shù)比較。

憑借其高數(shù)據(jù)密度、高速度，耐用性，低功耗和非易失性的特點，以及卓越的性能和技術(shù)成熟度，嵌入式非易失性存儲器eMRAM成為設計公司在28nm及以下工藝平臺的不二選擇。

eMRAM之于MCU

現(xiàn)在幾乎所有的MCU細分市場現(xiàn)在都使用eFlash解決方案。而eMRAM比eFlash更快，更省電。首先讓我們看下eFlash的幾個重要衡量參數(shù)，包括在特定溫度范圍內(nèi)的持久性和保留率，以及內(nèi)存模塊在最大系統(tǒng)頻率下需要多少等待狀態(tài)（額外的時鐘周期）方面的性能。下表比較了eMRAM與ST Micro （ST）、TI、Microchip、NXP和Freescale等公司基于ARM的SoC中廣泛使用的閃存。

微控制器單元（MCU）是單個集成電路上的小型計算機，通常包含中央處理單元（CPU）核心、靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）模塊、嵌入式閃存模塊（eFlash）、系統(tǒng)集成模塊和包括定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、串行通信和聯(lián)網(wǎng)的外圍模塊。片上閃存提供的可編程代碼存儲有助于降低生產(chǎn)成本，擴大實時自適應控制應用。

相比eFlash主要用于代碼存儲，eMRAM在MCU中可以同時存儲代碼和數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)高效的小系統(tǒng)解決方案。eMRAM是一種可伸縮、高性能、節(jié)能的嵌入式非易失性技術(shù)，可作為MCU內(nèi)存子系統(tǒng)的一部分，它可以提供非易失性數(shù)據(jù)存儲需求。而且eMRAM具有非常高的數(shù)據(jù)持久性和數(shù)據(jù)保留限制。

對SoC設計者來說，eMRAM為其提供了顯著的性能優(yōu)勢，包括超快地寫入速度 （《200ns），極高的擦寫次數(shù) （~10E8 次），可 在邏輯Vcc供電下運行 （無需Charge PUMP），功耗低比eFlash低10倍，無bitcell靜態(tài)漏電（0 pA vs 50pA for a SRAM bitcell）。

自從三星和Arm在去年6月共同開發(fā)eMRAM以來，有關(guān)eMRAM的研究一直很活躍。隨著全耗盡式絕緣體上硅（FD-SOI）作為基底技術(shù)的廣泛商業(yè)化，eMRAM的市場機會進一步涌現(xiàn)。eMRAM與FD-SOI兩者的搭配帶來了同類產(chǎn)品最佳的性能。不同于eFlash是一種前端技術(shù)，eMRAM的磁性存儲元件搭建于后端金屬層上，這就利于將其集成邏輯制程，F(xiàn)D-SOI不會對前端晶體管造成影響。

晶圓廠積極擁抱eMRAM技術(shù)

過去，人們認為eMRAM無法商用，因為它在制造成本和可靠性方面存在巨大挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為材料復雜、高溫條件下的數(shù)據(jù)維持能力低、抗磁力干擾能力差，價格高昂和制造過程復雜。因其技術(shù)特點和應用場景與邏輯工藝緊密相關(guān)，所以eMRAM技術(shù)工藝得到了全球前幾大代工廠商的高度重視。

通過業(yè)界的不斷努力，幾大晶圓代工廠已經(jīng)解決了材料及制造工藝過程復雜的問題，多家主流晶圓設備生產(chǎn)商與晶圓廠采用了更適合eMRAM 技術(shù)的淀積和蝕刻裝置，提高了產(chǎn)出，使得生產(chǎn)成本具備了競爭力。

在ISSCC 2020上，臺積電介紹了其32Mb MRAM的進展。臺積電的嵌入式MRAM芯片采用22nm ULL邏輯制程，22nm ULL邏輯平臺提供超高Vt NMOS/PMOS （eHVT），低功耗待機模式下電流小于55uA，喚醒時間低于100ns，與40nm超低功耗平臺相比，待機功耗降低約3.3倍。其讀寫速度為10ns，讀取功率為0.8 uA/ mhz，可以承受1M循環(huán)寫壽命可靠性測試，可將數(shù)據(jù)在150°C下保持10年。并且有per-SA微調(diào)和1T4R參考單元的傳感方案，可以在較寬溫度范圍內(nèi)運行。

早在2017年5月，臺積電技術(shù)長孫元成發(fā)表eMRAM和eRRAM（嵌入式電阻式記憶體）技術(shù)，分別預定在2018年和2019年進行風險性試產(chǎn)，且將采用22nm制程，其目標就是為了達成更高的效能、更低的電耗以及更小的體積，滿足智慧化與物聯(lián)網(wǎng)的全方位運算需求。

今年2月28日，格芯宣布，其基于其22nm FD-SOI 平臺的嵌入式、磁阻型非易失性存儲器（eMRAM）已投入生產(chǎn)。據(jù)悉，新的eMRAM具有非常強的魯棒性，可以將數(shù)據(jù)保持在-40攝氏度至125攝氏度的溫度范圍內(nèi)，并且可以承受100，000個周期，因此可以將數(shù)據(jù)保留長達10年。格芯并未透露將利用其eMRAM的特定產(chǎn)品，但表示正在“與多個客戶合作，并計劃在2020年安排多次生產(chǎn)流片”。

據(jù)格芯介紹，他們的eMRAM旨在通過提供性能，可靠性和功耗方面的改進來替代老化的NOR閃存，并且可以定期通過更新或日志記錄進行重寫。其寫入速度大大提高，主要歸因于技術(shù)的本質(zhì)：基于磁阻原理，對存儲材料的寫入在寫入所需數(shù)據(jù)之前不需要擦除周期，從而大大提高了寫入速度。宏容量從4-48Mb不等，將作為合作伙伴的嵌入式工具包提供。

格芯的差異化eMRAM部署在業(yè)界最先進的FDX平臺上，在易于集成的eMRAM解決方案中提供了高性能RF，低功耗邏輯和集成電源管理的獨特組合，使客戶能夠提供新一代的超高性能，低功耗MCU和連接的IoT應用。

三星大約在一年前開始在28nm平臺上開始批量生產(chǎn)eMRAM。2019年3月，三星推出首款商用eMRAM產(chǎn)品，三星的eMRAM模塊采用三星的28nm FD-SOI工藝技術(shù)制成，可以通過添加三個額外的掩膜集成到芯片制造工藝的后端。因此，該模塊不一定依賴于使用的前端制造技術(shù)，允許將其插入使用bulk、FinFET或FD-SOI制造工藝生產(chǎn)的芯片中。三星表示，由于其eMRAM在寫入數(shù)據(jù)之前不需要擦除周期，因此它比eFlash快1000倍。與eFlash相比，它還使用了較低的電壓，因此在寫入過程中消耗的能量大約為1/400。

另外在2019 IEDM上，三星成功演示了采用28nm FDSOI技術(shù)的高密度1Gb嵌入STT-MRAM?；诟叨瓤煽壳铱芍圃斓膃MRAM技術(shù)，在滿足令人滿意的讀取，寫入功能和10年保留時間的情況下，可以達到90％以上的高良率。并且達到了高達1E10周期的提高的耐久性，從而擴展了eMRAM應用。

英特爾是在2018年12月上旬的國際電子設備會議（IEDM）上首次發(fā)表詳細介紹其MRAM研究的新論文。英特爾推出一款整合于其22nm FinFET制程的自旋轉(zhuǎn)移力矩式記憶（STT-MRAM），稱其為首款基于FinFET的MRAM技術(shù)，并表示該技術(shù)目前的生產(chǎn)已經(jīng)就緒。

除了臺積電，中芯國際和華為海思也開始積極進行布局，并且取得了快速發(fā)展。但總體來看，我國境內(nèi)地區(qū)eMRAM技術(shù)領域則相對非?？瞻?，主要為幾家高校和科研機構(gòu)從事較為分散的自旋電子基礎科研活動。在ISSCC 2020上，國立清華大學介紹了關(guān)于STT-MRAM的進展，他們證明22nm 1Mb 1024b-讀和近內(nèi)存計算雙模式STT-MRAM宏具有42.6GB/s的讀帶寬，適用于安全意識強的移動設備。

在各大晶圓廠的努力之下，eMRAM的商業(yè)化發(fā)展很快。2018年，Arm發(fā)布了業(yè)界首款基于三星Foundry 28FDS工藝技術(shù)的嵌入式MRAM （eMRAM）編譯器IP，包括一個位于18FDS （18nm FDSOI工藝）的eMRAM編譯器。這一平臺有助于推動在5G、人工智能（AI）、汽車、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和其他細分市場的功耗敏感應用領域的推動新的前沿設計。

2019年12月16日，Mentor宣布，它將為基于Arm Found的eMRAM（嵌入式磁阻隨機存取存儲器）編譯器IP提供獨特的IC測試解決方案，該解決方案基于三星的28nm FDSOI工藝技術(shù)。Mentor的eMRAM測試解決方案利用了Mentor經(jīng)過行業(yè)驗證的Tessent Memory BIST產(chǎn)品，為SRAM和eMRAM提供了一套統(tǒng)一的存儲器測試和修復IP。

結(jié)語

雖然采用eMRAM技術(shù)的產(chǎn)品不會這么快出現(xiàn)在市場上，但從這些晶圓大廠的發(fā)展走向來看，新一代嵌入式記憶體技術(shù)與次世代非揮發(fā)性記憶體的組合不僅為舊式記憶體的困境帶來新的發(fā)展契機，也為新式記憶體解決方案的發(fā)展邁出一大步。
責任編輯：tzh