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突破技术局限,新一代MRAM放眼更广泛应用

2021-11-30 Gary Hilson 阅读:
在MRAM这类内存写入时,组件的穿隧氧化层会承受的庞大电压,使得数据的保存、写入耐久性,以及写入速度三者往往不可兼得,必须有所权衡。这意味着...

法国的内存新创公司Antaios执行长Jean-Pierre Nozières接受《EE Times》采访时表示,自旋轨道扭矩(Spin-orbit-torque,SOT) MRAM可解决自旋转移扭矩(Spin-transfer torque,STT) MRAM目前面临的“三难困境”(trilemma)。rtjednc

在MRAM这类内存写入时,组件的穿隧氧化层(tunnel oxide)会承受的庞大电压,使得数据的保存、写入耐久性,以及写入速度三者往往不可兼得,必须有所权衡。这意味着即使STT MRAM技术已经接近成熟,其受到的限制仍让它无法满足高速RAM应用必须兼具高速写入、无限耐久性,以及可接受的数据保存能力之需求。rtjednc

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SOT-MRAM在写入时,磁性组件──即所谓的磁穿隧接面(Magnetic Tunnel Junction)──不需要通过大电流;电流是流经相邻的“SOT”金属线。(图片来源:Antaios)rtjednc

成立于2017年的Antaios在2019年开始加大力道开发采用SOT的第三代MRAM。Nozières解释,SOT是一种自旋电子效应,可望克服STT-MRAM和前几代MRAM技术遭遇的限制,而且不需要大幅度改变制程。SOT-MRAM藉由完全免除写入过程中穿隧氧化层上的高电压,解决了MRAM的三难困境,并让组件在本质上具备无限耐久性。rtjednc

“目前的技术限制让MRAM只能作为嵌入式闪存的替代品,因为遭遇保存性、速度和耐久性无法兼得的三难困境;”Nozières表示,克服该限制之后,开启了让MRAM替换各种替换现有内存的可能性,包含前一代MRAM无法着墨的高速应用闪存与SRAM等。rtjednc

Nozières指出,SOT-MRAM的另一个固有优势是免除了数据保存时的漏电流问题,也不会受到电离辐射对数据的干扰;两者都是SRAM会有的严重问题。由于写入速度非常高,SOT-MRAM写入时的耗能也可望比STT-MRAM低许多;“这是系统效能上的一个大跃进。”rtjednc

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SOT与现今的STT MRAM相同,以自旋转移效应为基础,但不需要磁性层让电流自旋极化。自旋源自于SOT层材料晶格的自旋轨道互动。(图片来源:Antaios)rtjednc

SOT-MRAM的早期应用之一包括CPU的末阶高速缓存(last-level-cache,L3快取),无论是作为传统嵌入式架构的一部分,或是以一种晶粒迭晶粒(die-on-die)的3D组装技术堆栈不同制程晶圆的方式,为高阶CPU提供非常大的高速缓存。Nozières表示,这两种都和开发中的SOT-MRAM制程完全兼容。rtjednc

SOT-MRAM另一个前景看好的用途,是边缘装置中的人工智能(AI);这类装置大多采用冯纽曼(von Neumann)架构,使用大量的芯片外(off-chip)内存。而芯片内(on-chip)的SOT-MRAM可以像闪存/工作内存一样运作,其速度和耐久性是关键,同时功率也必须要低。rtjednc

微控制器架构也可以从SOT-MRAM受益。目前独立闪存的“控制储存”(control store)功能区块和SRAM区块架构,类似于在书架上不断地重新排列书籍以容纳新书。Nozières表示:“不停交换书架上的书要花很多时间和能量,而那正是微控制器内部运作的方式。”rtjednc

由于SOT-MRAM可以同时实现类似于嵌入式闪存的资料保存能力,而且主存储器的读写周期时间在10ns以内,因此它可以使用单个“就地执行”(execute-in-place,XIP;或译“芯片内执行)区块,进而在功率、性能以及成本上有显著改善。rtjednc

Nozières指出,SOT-MRAM仍有很长的路要走,Antaios的策略是不一手包办所有事情,而是建立伙伴关系,包括产品制造。rtjednc

2020年,Antaios获得了由法国创投公司Innovacom和Sofimac Innovation,以及位于美国硅谷的应材(Applied Materials)旗下创投部门Applied Ventures的资金。Nozières表示,该公司正积极寻求利用MRAM周遭生态系统,并以停业的Spin Memory为借镜;后者就是因为想要什么都自己做,包括制造,而烧光了大笔现金。rtjednc

现今的STT MRAM技术与SOT与类似,是以自旋转移效应为基础,但不需要磁性层来让电流自旋极化。自旋源自于SOT层材料晶格的自旋轨道互动。Nozières表示,这让那些已经在生产MRAM的主要晶圆代工业者可以直接将SOT做为现有MRAM技术的延展,不需要再向市场宣传得花费数亿美元导入新工具和原料。rtjednc

他将STT-MRAM和SOT-MRAM比喻为培根生菜西红柿(BLT)三明治,只是组合成分的顺序不同而已。不过尽管这个比喻听起来很简单,SOT-MRAM仍处于起步阶段,预计要到2024年才能真正进军商业化应用。rtjednc

 (原文发表于AspenCore旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考链接:Spin-Orbit-Torque Tackles MRAM Constraints,本文同步刊登于《电子工程专辑》杂志2021年11月号)rtjednc

责编:Demirtjednc

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Gary Hilson
EE Times特约编辑。Gary Hilson是一位自由撰稿人和编辑,曾为北美地区的印刷和电子出版物撰写过大量稿件。 他感兴趣的领域包括软件、企业级和网络技术、基础研究和教育市场,以及可持续交通系统和社会新闻。 他的文章发表于Network Computing,InformationWeek,Computing Canada,Computer Dealer News,Toronto Business Times,Strategy Magazine和Ottawa Citizen。
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