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关于新型存储器MRAM,你需要知道这些

2019-12-02 18:27:19 2746
摘要:目前有数家芯片制造商,正致力于开发名为stt-mram的新一代记忆体技术,然而这项技术仍存在其制造和测试等面向存在着诸多挑战。通常,在操作期间需要利用强磁场来干扰stt-mram,这是需要经过验证并加

来源:内容来自“ctimes”,谢谢。

目前,几家芯片制造商正致力于开发一种称为stt-mram的新一代存储技术。然而,在这项技术的制造和测试中仍然存在许多挑战。Stt-mram(也称为自旋转移扭矩mram技术)已获得市场关注,因为它将几个传统存储器的特性结合在一个设备中。在多年的发展中,stt-mram具有sram的速度和闪存的稳定性和耐用性。Stt-mram通过电子自旋的磁性在芯片中提供非易失性存储。

Stt-mram引起市场关注。

虽然stt-mram技术似乎有其优势,但它也非常复杂,这就是为什么它的发展比预期的要长。包括三星、TSMC、英特尔、全球铸造厂等。,都在不断发展stt-mram技术。然而,芯片制造商在他们的晶片设备中面临一些挑战。例如,必须改进和升级现有生产设备,以支持28纳米或22纳米甚至更新的纳米工艺。

图1: mram结构图

此外,测试也将在生产过程中发挥关键作用。Stt-mram需要新的测试设备来测试其磁场条件。此外,它还包括生产过程中的不同位置,如生产阶段、测试平台或工厂中的后测试,所有这些都需要更严格的测试过程。

即便如此,挑战依然存在。当mram芯片在强磁场中工作时,mram测试将产生新的条件。在非磁性存储设备中,没有必要担心这一点。然而,对于mram,环境中的磁场成为一个新的考虑因素。一般来说,在运行过程中需要使用强磁场来干扰stt-mram,这是一个需要验证和解决的问题。目前,业界正密切关注stt-mram,因为存储技术已经开始被嵌入式领域的客户用于引入产品设计阶段。

Stt-mram不仅能高速运行,而且即使在电源关闭时也能保留数据,而且功耗也非常低。由于这些特点,stt-mram非常适合应用于嵌入式存储器市场,个人电脑和移动设备等存储设备也在密切关注stt-mram的发展。

更高的密度和更低的功耗

Stt-mram与传统触发式mram相比,可以实现更高的密度、更低的功耗和更低的成本。总的来说,stt-mram优于toggle mram,因为它可以扩展stt-mram芯片以实现更高的密度和更低的成本。由于stt-mram是一种高性能存储器,可以挑战现有的dram和sram,很有可能成为未来的重要存储技术。预计stt-mram可以扩展到10纳米以下的工艺,挑战闪存的低成本。

图2: stt-mram体系结构描述

Stt代表自旋转移扭矩结构。在stt-mram元件中,自旋极化电流用于翻转电子的自旋结构。这种效应可以在磁隧道结(mtj)或自旋阀中实现。stt-mram元件使用stt-mtj,自旋极化电流是通过使电流流过薄磁层而产生的。然后电流被引入薄磁层,角动量通过磁层被传递到薄磁层,从而改变其旋转。

一般常规stt-mram结构使用平面mtj(或imtj)。一些stt-mram元件使用一种称为垂直mtj(pmtj)的优化结构,其中磁矩垂直于硅衬底表面。与imtj stt-mram相比,垂直stt-mram不仅更具可扩展性,而且更具成本竞争力。因此,具有pmtj结构的stt-mram将是未来dram和其他存储技术的更好选择。

瞄准嵌入式内存市场

Mram具有旋转的特性。电子的旋转通过施加的电流改变其方向。方向改变的时间具有量子特性,这取决于旋转角度。Stt-mram也容易发生变化,这可能会导致一些可靠性问题。stt-mram面临的最大挑战是所谓的读取干扰。另一个问题在于制造过程。如今,该行业正在开发28纳米或22纳米mram。毫无疑问,stt-mram技术可以从2xnm节点扩展到1xnm节点。然而,它是否能连续延伸到7纳米或5纳米仍有待观察。

尽管如此,stt-mram的发展并没有放缓的迹象,它的目标是两个主要的应用领域,即嵌入式存储器和独立存储器。目前,一些制造商专注于开发嵌入式mram。为了说明其重要性,微控制器(mcu)通常将各种组件集成在同一个芯片上,例如计算单元、sram和嵌入式闪存。嵌入式闪存具有nor的非易失性特性,通常用作程序代码的存储。

目前,业界已经推出了使用嵌入式或非闪存的28纳米单片机产品。至于目前处于研发阶段的制造商,他们已经开始使用16纳米或14纳米芯片。然而,一些专家认为在低于28纳米的工艺范围内很难扩展嵌入式或闪存。许多人认为28纳米或22纳米将成为这种闪存的极限,因为高成本将限制其市场接受度。

这就是嵌入式stt-mram的应用。适用于替换28纳米或22纳米以上的嵌入式nor闪存。除此之外,stt-mram还可以取代或增强单片机、微处理器或soc系统中的sram。

新一波存储冲击

根据包括汽车市场和物联网在内的调查,mram拥有最高的增长势头。许多专家预测mram将带来下一波存储。mram的特点,包括低功耗和耐用性,是mram在许多应用中具有极高灵活性的主要原因。例如,mram可用于极低功耗设计,如可穿戴设备或射频识别应用(如智能标签或跟踪器等)。),此外还有边际计算和云应用程序,它们也可以满足其性能要求。另一个例子是数据中心,因为功耗占数据中心总运营成本的最高比例。

图3: mram被认为是最适合机器学习的存储技术。

目前,mram有三个主要的应用市场。一个用作嵌入式存储器。mram非常适合嵌入式存储器,特别是嵌入式或集成到单片机中。此外,高密度mram适合用作系统临时存储器、加速nand闪存或sram应用的替代品。Mram将来甚至可以用来代替dram。Mram非常适合用作企业客户的关键任务应用程序。其中,包括断电和文件丢失在内的问题可以得到解决,因为这些问题一旦发生就可能严重影响客户端的使用。

Mram和其他下一代存储器也被认为是最适合机器学习的存储技术。如今,机器学习系统大多使用传统内存,这对于功耗来说非常严重。据研究,在机器学习过程中,很大一部分能量消耗在简单的数据移动过程中,而不是实际的操作功能中。对于机器学习过程,任何性能的提高都将有助于提高机器学习的能力。因此,与现有dram产品相比,功耗的任何降低和技术的持久稳定性都将有助于提高机器学习的整体效率。

*免责声明:这篇文章最初是作者写的。这篇文章的内容是作者的个人观点。重印半导体行业观察只是为了传达不同的观点。这并不意味着半导体行业观察同意或支持这一观点。如果您有任何异议,请联系半导体行业观察。

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