MRAM在存算一體上展現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)

MRAM 在速度、耐久性、功耗這些方面具有不可替代的優(yōu)越性。因此，MRAM 是實(shí)現(xiàn)存算一體的理想存儲(chǔ)器之一。

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和諸如機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理等人工智能應(yīng)用的興起，處理器需要更加頻繁地對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)與數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)的馮諾依曼計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)依賴總線進(jìn)行存儲(chǔ)器與處理器之間數(shù)據(jù)傳輸，在面對(duì)這類數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用時(shí)往往難以兼顧低延時(shí)與高能效。這一數(shù)據(jù)傳輸瓶頸現(xiàn)象常被描述為“內(nèi)存墻”和“功耗墻”。存內(nèi)計(jì)算技術(shù)通過(guò)更緊密地將處理器與存儲(chǔ)器進(jìn)行結(jié)合，有望克服這一性能瓶頸。

近年來(lái)，新型非易失性存儲(chǔ)器（NVM）技術(shù)的出現(xiàn)，克服了基于早期存儲(chǔ)器存內(nèi)計(jì)算方案在易失性、集成度、成本效益等問(wèn)題，極大地提升了存內(nèi)計(jì)算處理的性能。磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）作為新型NVM的一種，具有接近零的靜態(tài)功耗，較高的讀寫速度，與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)，在車用電子與穿戴設(shè)備等領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，被認(rèn)為是最有希望的下一代存儲(chǔ)器之一。STT-MRAM和SOT-MRAM已在各種PIM架構(gòu)中得到利用，目前MRAM技術(shù)的發(fā)展趨向于在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)提供更高的寫入速度和更低的功耗。

MRAM的歷代發(fā)展

磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）是一種基于自旋電子學(xué)的新型信息存儲(chǔ)器件，其核心結(jié)構(gòu)由一個(gè)磁性隧道結(jié)和一個(gè)訪問(wèn)晶體管構(gòu)成。MTJ 呈現(xiàn)“三明治”結(jié)構(gòu)，兩層磁性固定層和自由層之間夾著一層隧穿層。這其中，鐵磁層材料一般使用 CoFeB，隧穿層材料則為 MgO。固定層的磁化方向是不變的，而自由層的磁化方向可以被改變。當(dāng)固定層和自由層磁化方向一致時(shí)，稱為“平行狀態(tài)”，MTJ 的隧道磁阻(Tunnel Magnetoresist-ance，TMR) 為低; 當(dāng)磁化方向不一致時(shí)，稱為“反平行狀態(tài)”，TMR 為高。數(shù)據(jù)的寫入通過(guò)切換自由層的磁化方向?qū)崿F(xiàn)，讀取則通過(guò)使電流通過(guò)結(jié)來(lái)測(cè)量磁阻大小實(shí)現(xiàn)。訪問(wèn)晶體管的柵極與字線相連，形成“1T1M”的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的選擇。由于 MTJ 翻轉(zhuǎn)電流的不對(duì)稱性，晶體管的寫入驅(qū)動(dòng)電流也有不對(duì)稱性。它具有極快的開(kāi)關(guān)速度、近乎為零的泄露功耗、極高的可靠性等顯著優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)存算一體化技術(shù)的理想器件之一。

與大部分其它半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)不同，MRAM中的數(shù)據(jù)以一種磁性狀態(tài)(而不是電荷)存儲(chǔ)，并且通過(guò)測(cè)量電阻來(lái)感應(yīng)，不會(huì)干擾磁性狀態(tài)。采用磁性狀態(tài)存儲(chǔ)有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：(1)磁場(chǎng)極性不像電荷那樣會(huì)隨著時(shí)間而泄漏，因此即使在斷電的情況下，也能保持信息；(2)在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)極性時(shí)，不會(huì)發(fā)生電子和原子的實(shí)際移動(dòng)，這樣也就不會(huì)有所謂的失效機(jī)制。在MRAM中使用的磁阻結(jié)構(gòu)非常類似于在硬盤中使用的讀取方式。

MRAM結(jié)構(gòu)圖

在 1972 年，MRAM的基本概念首次被提出，其存儲(chǔ)單元是利用各向異性磁阻的特性(AMR：Anisotropic Magneto- resistance)制作出的三層結(jié)構(gòu)。受當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，還不具備實(shí)用性價(jià)值，到了 1988 年，巨磁阻效應(yīng)( GMR：GiantMagneto- resistance)的發(fā)現(xiàn)，MRAM 的實(shí)用性才得以實(shí)現(xiàn)。但由于 GMR 材料和 MOS 管串聯(lián)的鏈路中，阻抗低，分壓能力低，靠提高尺寸來(lái)增大寫性能對(duì)面積的要求非常高，這導(dǎo)致 GMR 在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在困難。直到 1995 年，提出了隧穿磁阻效應(yīng)(TMR：Tunneling Magneto- resistance)，讀寫速度和集成度才得以提高，將MRAM推向了實(shí)用性。依據(jù)兩種不同的寫入方式可以將 MRAM 技術(shù)劃分為兩代。

第一代 MRAM 的寫入方式是磁場(chǎng)寫入式。它利用導(dǎo)體中流過(guò)的正反兩個(gè)電流方向產(chǎn)生磁化感應(yīng)，使得 STT 存儲(chǔ)單元的 MTJ 自由層相對(duì)固定層磁化方向?yàn)橥蚝头聪騼蓚€(gè)方向，從而表現(xiàn)出高低兩種大小的阻抗?fàn)顟B(tài)用于存取數(shù)字邏輯“1”和“0”。由于這種寫入方式需要足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)感應(yīng)，因此需要足夠大的寫入電流，即需要利用高壓來(lái)進(jìn)行寫，這導(dǎo)致了功耗的增大。同時(shí)隨著工藝尺寸的縮減以及MTJ 結(jié)尺寸的降低，相鄰 STT 存儲(chǔ)單元的可靠性問(wèn)題變得嚴(yán)重，通過(guò)增大間距減小相互干擾則會(huì)降低MRAM 的集成度。因此，可靠性和集成度之間是一對(duì)矛盾。

第二代 MRAM 的寫入方式是自旋轉(zhuǎn)移矩寫入式。它是利用自旋轉(zhuǎn)移矩(spin - transfer torque)效應(yīng)誘導(dǎo)磁性材料發(fā)生磁化翻轉(zhuǎn)，即利用流過(guò)隧道結(jié)中不同方向的自旋極化電流，驅(qū)動(dòng)軟磁體磁化方向的改變，實(shí)現(xiàn) MTJ 結(jié)高低阻抗?fàn)顟B(tài)的寫入。這種寫入方式的存儲(chǔ)器，稱之為自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(STT-MRAM：Spin Transfer Torque MRAM)。與第一代 MRAM 依靠磁場(chǎng)寫入的方式不同，這種方式是依靠自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)，它利用電流來(lái)完成磁性薄膜的磁化方向翻轉(zhuǎn)，繼而實(shí)現(xiàn)不同的阻抗?fàn)顟B(tài)。這種方式，最大的優(yōu)勢(shì)是降低了對(duì)寫電壓的要求，從而也降低了功耗，并且避免了磁場(chǎng)感應(yīng)引起的串?dāng)_問(wèn)題，有效提高了集成度。因此對(duì)磁存儲(chǔ)器研究自然的過(guò)渡到了對(duì)自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的研究。

第三代MRAM的自旋道矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（SOT-MRAM），電流通過(guò)底層重金屬，產(chǎn)生自旋流并注入到自由層中，利用自旋軌道矩使自由層的磁化方向產(chǎn)生擾動(dòng)，并結(jié)合多種方式讓磁化方向產(chǎn)生確定性的翻轉(zhuǎn)。相比于自旋轉(zhuǎn)移矩的存儲(chǔ)技術(shù)，基于自旋軌道矩的存儲(chǔ)技術(shù)具有對(duì)稱的讀寫能力、分離可優(yōu)化的讀寫路徑、亞納秒的快速操作速度和低寫入功耗等優(yōu)點(diǎn)。

MRAM在存算一體上展現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)

到目前為止，多種存儲(chǔ)器介質(zhì)被研究用于構(gòu)建存算一體系統(tǒng)，包括基于電荷存儲(chǔ)原理的傳統(tǒng)存儲(chǔ)器和基于電阻存儲(chǔ)原理的新型存儲(chǔ)器。傳統(tǒng)存儲(chǔ)器主要包括 SRAM、DRAM和 Flash。其中 SRAM 和 DRAM 是易失性器件，頻繁的刷新并不利于降低功耗。而 Flash 雖然是非易失性的，但是隨著讀寫次數(shù)增加，浮柵氧化層會(huì)逐漸失效，反復(fù)讀寫可靠性很低。因此，各種基于電阻改變的新型存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)存算一體的有效載體。

這其中主要包括相變存儲(chǔ)器 ( Phase Change Memory，PCM )、電阻記憶存儲(chǔ)器 ( Resistive Random Access Memory，RRAM)和磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器 ( Magnetic Random Access Memory，MRAM) 。PCM 和 RRAM 基于原子層級(jí)重構(gòu)來(lái)改變阻值，優(yōu)點(diǎn)是有較大的阻值窗口，而缺點(diǎn)則是讀寫速度和讀寫可靠性要劣于MRAM。MRAM則是基于對(duì)電子“自旋”的控制，可以達(dá)到理論上的零靜態(tài)功耗，同時(shí)具有高速和非易失性以及近乎無(wú)限的寫入次數(shù)。MRAM 在速度、耐久性、功耗這些方面具有不可替代的優(yōu)越性。因此，MRAM 是實(shí)現(xiàn)存算一體的理想存儲(chǔ)器之一。

MRAM當(dāng)前的應(yīng)用及未來(lái)預(yù)估

隨著自旋轉(zhuǎn)移矩 MRAM (STT-MRAM) 的發(fā)明，MRAM 邁出了商業(yè)化的重要一步。

第一個(gè)商業(yè)化的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器產(chǎn)品是飛思卡爾半導(dǎo)體公司（FreescaleSemiconductor）于2006 年生產(chǎn) 的4 Mb 容量Toggle-MRAM ，該部門是Everspin 的前身。之后Everspin 公司推出了具有SRAM 速度和 閃存結(jié)構(gòu)的非易失的Toggle-MRAM ，其16 位32Mb并行MRAM 具有最高35 ns 的寫入周期時(shí)間，工作溫度范圍為-40~125°C ，適用于工業(yè)和汽車應(yīng)用。Everspin 在 2012 年就生產(chǎn)出了首個(gè)商業(yè)級(jí)的 64Mbit 的 STT-MRAM 存儲(chǔ)器芯片并在2017年大批量生產(chǎn)了256Mb DDR3 STT-MRAM，并于2017年集成了40 nm CMOS，并在2019年批量生產(chǎn)了28 nm CMOS上的1Gb DDR4 STT-MRAM。

霍尼韋爾（Honeywell）和Cobham（前身為Aeroflex）等其他公司也推出了自己的MRAM 產(chǎn)品，它們同樣使用Toggle-MRAM 單元和SRAM 結(jié)構(gòu)。其中霍尼韋爾采用特殊抗輻照的150 nm 絕緣體上硅（silicon oninsulator，SOI）CMOS 技術(shù)，使其MRAM 產(chǎn)品在衛(wèi)星和其他航天應(yīng)用中具有很高的可靠性和輻射抗性。

東芝公司在 2014 年的美國(guó)檀香山開(kāi)幕的國(guó)際會(huì)議上“2014 Symposia on VLSI Technology and Circuits（以下稱 VLSI Symposia）”用 STT-MRAM 代替 SRAM，使得微處理器中的高速緩存功耗降低了近 60%。日本超低壓元器件技術(shù)研究聯(lián)盟（LEAP）在 VLSI Symposia 上同樣實(shí)現(xiàn)了用 STT-MRAM 對(duì)傳統(tǒng) SRAM的替換。傳統(tǒng)的 STT-MRAM 單純采用蝕刻技術(shù)來(lái)制造，但這種技術(shù)會(huì)由于 MTJ尺寸的偏差導(dǎo)致性能偏差。因此，為解決 MTJ 制造工藝中的尺寸偏差問(wèn)題，LEAP研究出了全新的蝕刻技術(shù)，顯著降低了 MTJ 制造過(guò)程中尺寸不均勻的問(wèn)題。

高通正在加速研究 STT-MRAM 技術(shù)。2015 年項(xiàng)目研究員 Seung H. Kang 發(fā)布了一款 8Mbit 混合 STT-MRAM 的SOC 芯片 。在沒(méi)有軟錯(cuò)誤的情況下，工作頻率可以達(dá)到 500MHZ。在 40nm 工藝下，適用于混合STT-MRAM 的 SOC，若工藝尺寸可以降到 28nm，那么其性能可以與SRAM 相媲美。

2017-2020年的MRAM的公開(kāi)芯片情況

在過(guò)去幾年里，包括臺(tái)積電、英特爾、三星、SK海力士等晶圓代工廠和IDM，相繼大力投入MRAM 研發(fā)。

此外不少創(chuàng)新公司，如 Everspin，Avalanche, Crocus, Spin Transfer Technology 也已能夠提供 MRAM 樣品。整體上，STT-MRAM 已經(jīng)在 2×nm 節(jié)點(diǎn)的嵌入式存儲(chǔ)市場(chǎng)準(zhǔn)備就緒。

華為與 SNIA（全球網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)工業(yè)協(xié)會(huì)）在2015 年共同舉辦的存儲(chǔ)技術(shù)峰會(huì)上，Albert Fert（2007 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）表示：在存儲(chǔ)技術(shù)底層是依靠核心技術(shù)和理論突破存儲(chǔ)瓶頸。自旋轉(zhuǎn)移矩技術(shù)取得了重大突破，基于 DMI 效應(yīng)的方式使得 STT-MRAM 存儲(chǔ)單元可以縮放到幾納米，顯著的提高了磁存儲(chǔ)器的集成度和性能。

審核編輯 ：李倩