存儲(chǔ)器的新星：MRAM

文/嚴(yán)凌宇

存儲(chǔ)器的新星：MRAM

文/嚴(yán)凌宇

MRAM是大多數(shù)手機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、筆記本電腦、PC等數(shù)字產(chǎn)品的存儲(chǔ)器的潛在替代產(chǎn)品。從MRAM芯片技術(shù)的特性上來看，可以明顯改變消費(fèi)者使用電子設(shè)備的方式。

在對半導(dǎo)體新技術(shù)的追求中,技術(shù)研發(fā)者中有一大批技術(shù)人員已經(jīng)開始著重研究自旋電子(即“自旋態(tài)輸運(yùn)電子”的簡稱)。自旋電子學(xué)建立在電子兩種自旋狀態(tài)這一獨(dú)特的基本特性的基礎(chǔ)上。

電子具有質(zhì)量,但它們的尺寸極小,接近于零,它們的“自旋”并非是繞空間某根軸的旋轉(zhuǎn),因?yàn)樗鼈兏揪蜎]有軸或者其他空間的幾何特征。既然自旋是某種類型的運(yùn)動(dòng),而運(yùn)動(dòng)的帶電體會(huì)產(chǎn)生磁場,于是電子的自旋使得電子成為微型的磁偶極子,成為自然界的一種基本磁體。自旋方向的確定可以通過電子的磁矩(N－S極對準(zhǔn)的方向)的感測來實(shí)現(xiàn)。自旋可以成為實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制編碼的物質(zhì)基礎(chǔ)—“上旋”代表0,“下旋”可以代表1,而該技術(shù)的實(shí)現(xiàn),就取決于能否廉價(jià)而有效地直接測量和操控電子自旋。

與以往重要的新的半導(dǎo)體技術(shù)總是引入內(nèi)存技術(shù)的歷史發(fā)展趨勢一樣,基于自旋電子學(xué)原理的內(nèi)存芯片現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)。

MRAM(Magnetic Random Access Memor y) 是一種非揮發(fā)性的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。它擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入。

MRAM是在 20世紀(jì)80年代初首次提出的。在 1994年，美國 Honeywell公司研發(fā)了一種使用巨磁阻（ Giant Magneto Resistive，GMR）薄膜技術(shù)的 MRAM，并投入了生產(chǎn)。近年來， MRAM再度發(fā)展起來，并以取代DRAM裝置為目標(biāo)。

MRAM 之所以與傳統(tǒng)的 RAM 不同，它是靠磁場極化的形式，而不是靠電荷的形式來保存數(shù)據(jù)的。MRAM 由三個(gè)層面構(gòu)成，最上面的成為自由層，中間的是隧道柵層，下面的是固定層。自由層的磁場極化方向是可以改變的，而固定層的磁場方向固定不變。當(dāng)自由層與固定層的磁場方向平行時(shí)，存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)低電阻；當(dāng)磁場方向相反時(shí)，呈現(xiàn)高電阻。MRAM通過檢測存儲(chǔ)單元電阻的高低，來判斷所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是 0還是1。

實(shí)現(xiàn) MRAM 可靠存儲(chǔ)的一個(gè)主要障礙是較高的位干擾率。對目標(biāo)存儲(chǔ)單元進(jìn)行編程時(shí)，非目標(biāo)單元中的自由層可能會(huì)被誤編程。目前研究人員已經(jīng)成功解決了此問題。寫入線1 和寫入線2上的脈沖電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，只有它們共同作用的單元才會(huì)發(fā)生磁化極性的改變，從而不會(huì)干擾相同行或列的其它位單元。

要進(jìn)一步隔離非目標(biāo)單元，使其不受干擾，飛思卡爾半導(dǎo)體還使用鍍層包裹內(nèi)部銅線的三個(gè)側(cè)面。此鍍層將磁場強(qiáng)度引向并集中到目標(biāo)單元，可以使用低得多的電流進(jìn)行編程，并隔離磁場周邊的通常會(huì)遭到干擾的單元。

大批量生產(chǎn) MRAM 設(shè)備的另一個(gè)難題是由于極薄的 AlOx 隧道結(jié)。AlOx 結(jié)厚度上的微小變化都會(huì)導(dǎo)致位單元電阻的很大改變。如今的半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)解決了這一問題，從而實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)晶圓表面上以及整個(gè)批量上，都能產(chǎn)生一致的隧道結(jié)。

2007年，磁記錄產(chǎn)業(yè)巨頭IBM公司和TDK公司合作開發(fā)新一代MRAM，使用了一種稱為自旋扭矩轉(zhuǎn)換(spin-torque-transfer , STT)的新型技術(shù)，利用放大了的隧道效應(yīng)(tunnel effect)，使得磁致電阻的變化達(dá)到了1倍左右。而此次東芝展出的芯片也正是利用了STT技術(shù)，只是進(jìn)一步地降低了芯片面積，在一枚郵票見方的芯片上做出了1GB內(nèi)存，這也使得世界看到了磁阻內(nèi)存的威力—它的記錄密度是DRAM的成百上千倍，速度卻比所有現(xiàn)有的內(nèi)存技術(shù)都要快。大密度、快訪問、極省電、可復(fù)用和不易失是磁阻內(nèi)存的五大優(yōu)點(diǎn)，這使它在各個(gè)方面都大大超過了現(xiàn)有的甚至正在研發(fā)的存儲(chǔ)技術(shù)：閃存太慢，SRAM和DRAM易揮發(fā)，鐵電存儲(chǔ)可重寫次數(shù)有限，晶相存儲(chǔ)不易控制溫度……MRAM可以說是集各個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)于一身的高質(zhì)量產(chǎn)品。

目前，M R A M已經(jīng)在通信、軍事、數(shù)碼產(chǎn)品上有了一定的應(yīng)用。2008年，日本的SpriteSat衛(wèi)星就宣布使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MRAM替換其所有的閃存元件。預(yù)計(jì)在不久的將來，它就能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，我們在打開計(jì)算機(jī)時(shí)，也就不再需要等待了。

根據(jù)美國專業(yè)半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu) EDN分析，如果將 MRAM、 DRAM、 SRAM、FLASH等內(nèi)存做比較，在“非揮發(fā)性”特色上，目前僅有 MRAM及 FLASH具此功能；而在“隨機(jī)存取”功能上，則 FLASH欠缺此項(xiàng)功能，僅 MRAM、 DRAM、 SRAM具備隨機(jī)存取優(yōu)點(diǎn)。

圖 MRAM通過檢測存儲(chǔ)單元電阻的高低來判斷存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是0還是1

就“讀取速度”而言， MRAM及 SRAM的速度最快，同為 2 5～10 0 n s，不過，MRAM仍比 SRAM快； DRAM則為 50～100n s，屬于中級(jí)速度；相較之下， FLASH的速度最慢。

在寫入次數(shù)上， MRAM、 DRAM以及SRAM則都屬同一等級(jí)，約可寫入無限次的記憶，而 FLASH則只約可寫入 106次。至于“芯片面積”的比較， MRAM與 FLASH同屬小規(guī)格的芯片，所占空間最??； DRAM的芯片面積則是屬于中等規(guī)格，SRAM更是屬于大面積規(guī)格的芯片，其所占的空間最大。

在嵌入式設(shè)計(jì)規(guī)格方面， D R A M、SRAM、 FLASH同屬良率低、須增加芯片面積設(shè)計(jì)規(guī)格；而 MRAM則是擁有性能高、不須增加芯片面積的特殊設(shè)計(jì)。

最后在耗電量相比較，只有 MRAM以及SRAM擁有低耗電的優(yōu)點(diǎn)， FLASH則是屬于中級(jí)的耗電需求，至于 DRAM更是具有高耗電量的缺點(diǎn)。

與SRAM類似的是,MRAM在讀寫方面都可以實(shí)現(xiàn)高速化,而且本身還具有極高的可靠性(磁體本質(zhì)上是抗輻射的,因此MRAM本身可以免受軟錯(cuò)誤之害。)而MRAM與DRAM類似之處,就在于它是高密度的,而且還具有讀取無破壞性、無需消耗能量來進(jìn)行刷新等優(yōu)勢。MRAM與閃存的類似之處,就在于同樣是非易失性的,它還具備了寫入和讀取速度相同的優(yōu)點(diǎn),并具有承受無限多次讀寫循環(huán)的能力。在自由磁體層中來回切換的運(yùn)動(dòng)是電子的自旋,而電子本身永遠(yuǎn)不會(huì)磨損。

另外一個(gè)吸引人的特色就是MRAM單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中,只需在后端的金屬化過程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。

另外,因?yàn)镸RAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中,將2～3層單元疊放起來是可以實(shí)現(xiàn)的,這樣就可以在邏輯電路上方構(gòu)造規(guī)模極大的內(nèi)存陣列。

這樣的可能性使我們可以預(yù)見到未來有望出現(xiàn)新型的、功能大大提升的單芯片系統(tǒng)這一美好前景。由于可以取代DRAM、SRAM或者閃存,MRAM可以消除處理器－內(nèi)存性能之間不斷擴(kuò)大的差距。MRAM對于能支持線程數(shù)不斷提高的多線程的處理器來說有很高的價(jià)值,因?yàn)樗梢蕴峁┲С诌@些器件所必需的極大的帶寬。

自旋電子學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用，預(yù)示著以調(diào)控自旋為基礎(chǔ)的芯片新時(shí)代將可能在未來取代調(diào)控電荷的芯片時(shí)代。

責(zé)任編輯：程夢瑤

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嚴(yán)凌宇

約克大學(xué)電子系博士研究生