三星研發(fā)出運算存儲MRAM

三星的研究人員聲稱已經開發(fā)出有史以來最小、最節(jié)能的非易失性隨機存取存儲器。

該團隊采用該公司的 28nm 嵌入式 MRAM，并將磁性隧道結擴展到 14nm FinFET 邏輯工藝。研究人員將在 12 月召開的國際電子器件會議上報告這一點，改論文的名稱是World’s most energy-efficient MRAM technology for non-volatile RAM applications.。

論文中提到，該團隊生產了一個獨立的存儲器，其寫入能量要求為每比特 25pJ，讀取的有效功率要求為 14mW，寫入的有效功率要求為 27mW，數(shù)據(jù)速率為每秒 54Mbyte。循環(huán)為 10^14 個周期，當擴展到 16Mbit 設備時，一個芯片將占據(jù) 30 平方毫米。

為了實現(xiàn)這一性能，研究團隊將磁性隧道結縮小到三星的 14nm FinFET 邏輯平臺，與 28nm 的前身相比，面積增加了 33%，讀取時間加快了 2.6 倍。

該研究的目標之一是證明嵌入式 MRAM 作為高速緩存存儲器適用于依賴大型數(shù)據(jù)集和分析的應用，例如邊緣 AI。

早前報道：三星研發(fā)出運算存儲MRAM

三星半導體宣布，通過結構創(chuàng)新，實現(xiàn)了基于MRAM（磁阻式隨機存取存儲）的存儲內運算（In-Memory Computing），進一步拓展了三星下世代低功耗AI芯片技術。

傳統(tǒng)的運算體系中，存儲中的數(shù)據(jù)要轉移到處理芯片的數(shù)據(jù)運算單元進行處理，因此其對于頻寬、延遲的要求非常高。

至于存儲內運算則是一種新的運算模式，也可以當作存儲與運算一體化的表現(xiàn)，也就是說，在存儲中同時執(zhí)行數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)運算處理，無需移動數(shù)據(jù)。同時，在存儲網路中的數(shù)據(jù)處理是以高度平行的方式執(zhí)行，因此提高性能的同時，還能大大降低功耗。

如果與其他存儲比較，MRAM在運行速度、壽命、量產方面都有明顯優(yōu)勢，功耗也遠低于傳統(tǒng)DRAM，關鍵是還具有非揮發(fā)的特點，斷電也不會丟失數(shù)據(jù)。

可是MRAM也有其缺點，因為很難用于存儲內運算，使得在標準的存儲內運算架構中無法發(fā)揮低功耗優(yōu)勢。為了克服這一點，三星研究團隊設計了一種名為“電阻總和”（resistance sum）的新型存儲內運算架構，取代“電流總和”（current-sum）架構，進而成功開發(fā)了一種能演示存儲內運算架構的MRAM陣列芯片，命名為“用于存儲內運算的磁阻式存儲交叉陣列”（crossbar array of magnetoresistive memory devices for in-memory computing）。

目前來看，這一交叉陣列成功解決了單個MRAM小電阻問題，從而降低功耗，實現(xiàn)了基于MRAM的存儲內運算。按照三星研究，在執(zhí)行AI運算時，采用MRAM存儲內運算可以實現(xiàn)98%的筆跡辨識成功率、以及93%的人臉辨識準確率。

根據(jù)Report Linker研究，全球MRAM市場2021年至2026年的年復合成長率將達25%，并于2026年達到62億美元的規(guī)模。該市場的主要驅動力是對穿戴式裝置的需求增加、物聯(lián)網設備的高度采用、運算技術的進步、對更高存儲空間的需求以及縮短啟動時間等因素。除了三星之外，Avalanche、CROCUS、Honeywell以及Everspin都是主要MRAM制造商。

最新研究顯示，除了Toggle MRAM與自旋轉移力矩式磁性存儲（STT-MRAM）之外，自旋軌道力矩式磁性存儲（SOT-MRAM）正在崛起。近年來包含英特爾、IMEC、三星及臺積電都投入SOT-MRAM相關研究，不過量產仍需10年時間，也是須持續(xù)關注的趨勢之一。

臺積電入局mram，叫板三星？

早前，臺灣工研院攜手臺積電共同發(fā)表的SOT-MRAM技術，能在低電壓、電流的情況下，達到0.4納米的高速寫入，并具備7兆次的耐受度。

該項技術未來可整合成先進制程嵌入式記憶體，在AI人工智慧、車用電子、高效能運算芯片等領域具有極佳的前景。工研院電子與光電系統(tǒng)所所長張世杰樂觀的表示：「MRAM兼具快閃記憶體非揮發(fā)性，近年來已成為半導體先進制程、下世代記憶體與運算的新星?！?/p>

國立陽明交通大學也在今日的VLSI上，共同發(fā)表新磁性記憶體的高效能運作技術。透過優(yōu)化STT-MRAM（自旋轉移矩磁性記憶體）的膜層和元件，提高寫入速度，降低延遲、電流，并拉長使用壽命。

最重要的是，STT-MRAM能在127度到零下269度的范圍內，穩(wěn)定且高效運作，這也是工作溫度橫跨近400度的STT-MRAM，第一次在實驗中被驗證。未來可應用于量子電腦、航太等產業(yè)當中。

過去的傳統(tǒng)架構中，處理器（CPU）會從記憶體內，存取已儲存的數(shù)據(jù)，并進行運算處理。在一來一往的讀寫過程中，數(shù)據(jù)會徘徊在處理器和記憶體之間，造成延遲、高耗能等情況產生，影響到運算效率。

2018年，臺積電董事長劉德音就談過記憶體內運算（in-memory computing），即將邏輯芯片、記憶體進行異質整合，提升運算效能。事實上，許多研究機構都在嘗試用不易耗損的新型記憶體開發(fā)此技術，但當中并不包含當前被廣泛應用的NAND（快閃記憶體）。

MRAM為一種非揮發(fā)性記憶體，兼具耗能低、讀寫速度快等優(yōu)點，以及微縮至22納米以下的潛力，相當適合應用在嵌入式記憶體的領域。

臺北清華大學張孟凡教授所的團隊使用MRAM，成功開發(fā)全球第一片非揮發(fā)記憶體內運算電路芯片。根據(jù)媒體報導，相關論文發(fā)布后，三星也在今年一月發(fā)布類似論文，實驗芯片則搶在臺積電前公布，較勁意味濃厚。

編輯：黃飛

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