三星投产MRAM内存 存储器新战线拉开大幕

IBM作为MRAM的最早研发者,极大推动了第一代Toggle MRAM和第二代STT-MRAM的研发。就原理来讲,这两代都基于MTJ结构,相比Toggle MRAM,ST-MRAM的集成度更高,且读写寿命近乎无限,能够适应更多的场景。

本月初,三星宣布已开始量产新一代存储器MRAM。详细来看,三星是在一条28nm FD-SOI工艺的产线量产嵌入式MRAM(eMRAM)解决方案。那么MRAM相较传统存储器有什么优点,三星量产又将给存储也带来怎样的变局?

三星量产eMRAM的报道 来源:MRAM-Info

MRAM:有望替代DRAM的新一代内存

磁阻式随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)作为非易失性存储器,并不像一般的RAM芯片以电荷的形式存储数据,它是以磁存储元件进行存储。实际上除了三星以外,全球研发、生产的MRAM半导体公司并不少。随着技术的不断提升,MRAM也很有潜力最终替代DRAM。

MRAM最基本的存储结构为MTJ(下图),其中最上面的磁层可产生自旋变化,方向可以向左或向右,而底下的磁层的自旋方向则是固定的,两个磁层之间由隧穿层区分。

MTJ结构原理 来源:Everspin

在读取数据的时候,通过测量所得到的电流,可以确定任何特定单元内的电阻,并从此确定此MTJ的磁化极性。如果两个磁层具有同向的磁性,那么MTJ的电阻就低,则表示为“1”,而如果两个磁层磁化方向相反,那么MTJ的电阻就高,则表示为“0”。通过这样的二进制变化,MTJ就可以存储1bit的数据。

相比现在主流的DRAM和SRAM,MRAM的写入速度不落下风(下图),且由于MTJ上磁层自旋固定,不用一直通电,因此能耗水平要比前两者更低。在2016年,三星与IBM联合开发了一款11纳米pMTJ的MRAM,它可以仅用7.5微安的电流驱动。在全球降低碳排放的背景下,如果MRAM能够大范围应用,确实有利于环保。

多种存储器写入寿命与读取时间的对比 来源:Everspin

看准未来机遇 诸多企业竞逐MRAM

前面提到,除了此次宣布量产的三星之外,还有多家半导体企业在MRAM领域投入精力。其中,具有代表性的有IBM、Everspin等。

IBM作为MRAM的最早研发者,极大推动了第一代Toggle MRAM和第二代STT-MRAM的研发。就原理来讲,这两代都基于MTJ结构,相比Toggle MRAM,ST-MRAM的集成度更高,且读写寿命近乎无限,能够适应更多的场景。

迄今在半导体业内,Everspin是唯一一家能够大批量提供商用MRAM的企业,现在可以提供容量从128Kb到256Mb的MRAM芯片。目前这些MRAM主要用于工业、航空航天及汽车电子等产业领域。

不过,当前MRAM作为一种独立的存储器,其性价比还不高,尚无法打入主流的消费电子业,更无法撼动DRAM、SRAM的地位。如果集成度更高的嵌入式MRAM(eMRAM)能够顺利走向市场,那么当前以DRAM和NAND为主的存储器版图就很可能被撼动。

就eMRAM自身来说,它既可采用体硅工艺(包含平面结构和FinFET)制造,也可采用FD-SOI工艺制造,因此不光是三星,像台积电、英特尔等老牌半导体企业都已加入eMRAM战团,以扩大业务版图,占领未来先机。

前期,台积电宣布了自己进军MRAM的计划,按规划是以22nm制程生产。而在去年的第 64 届国际电子器件会议上,英特尔也展示了自家用22nm FinFET工艺打造的STT-MRAM。比起现在已经进入1x nm时代的DRAM,MRAM并不吃制程,其量产对半导体厂商并不构成压力,有利于普及。

手握FD-SOI王牌 三星竞争力很强

与英特尔遥相辉映,三星于同期也展示了其基于28nm FD-SOI工艺的 STT-MRAM。总体而言FD-SOI在性能及功耗的表现可与体硅FinFET相比拟,但由于前者晶体管结构更简单,因此成本更低,具有性价比优势。

目前,FD-SOI工艺的最大玩家当属三星和格罗方德,两家也都有打算将此工艺用于MRAM领域。然而开年以来格罗方德就陷入艰难境地,出售了一座工厂。至于更远的未来,外界广泛猜测三星将会接下格罗方德,其理由在于三星可藉此增加晶圆代工的市场份额,进而缩小跟台积电的差距。

除了格罗方德,现在也有消息称三星将收购汽车电子大厂恩智浦。在全球半导体特别是存储器产业走跌的背景下,收购恩智浦也确实有助于三星完善自身竞争力,特别是摆脱长期以来过于依赖存储器的尴尬。

目前,三星持有现金总额高达104万亿韩元(约900亿美元),足够其展开一轮大并购了。况且现在半导体产业进入衰退周期,三星不论是投产eMRAM还是并购企业,均可看做宏观上的“逆周期投资”,意在先播种,再收获。

综合看,三星凭借以往在存储器领域积累的家底,再加上FD-SOI的加持,日后或许在eMRAM领域会展现出很强的竞争力。然而,新一代存储器也不止MRAM一种,诸如FRAM、ReRAM、3DX-Point等都有能可能崛起。在未来,存储器领域的竞争将复杂化,众多半导体厂商也都会找到自身定位,展开角逐。

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