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芯观察 | 当MRAM遇见嵌入式

  • 发布: 格芯
  • 来源: GLOBALFOUNDRIES
  • 时间:2017-12-15 16:03

在长达20年的开发之后,磁电阻随机存取内存 (MRAM) 技术终于进入了可以被广泛使用的阶段。问题是,设计者将如何使用它?MRAM将给移动、汽车和物联网的连接系统带来怎样的改变?

分析师Tom Coughlin表示,在过去的2年,格芯已经向MRAM的先驱Everspin Technologies提供主要用于缓存市场的离散MRAM产品。它具备可与DRAM比拟的速度和几乎无限制的数据储存能力,Coughlin说MRAM是「替换现有电脑结构中非易失性内存的最佳选择」。

移动设备和其他的系统通常拥有大量SRAM,Coughlin说道,并且必须在系统停滞或关闭时耗费时间和能量维持内存状态。因为MRAM可以无需额外的功耗来开启或关闭,系统设计者可以在一个能耗周期内做到更多的事,或者通过停止供电来节省电池寿命。让一个长期关闭的系统启动也不会带来任何更多的能量偿还。

「对于移动设备,MRAM可实现节能模式,可以兼容电池供电系统。」 Coughlin说道。

MRAM的节能能力是令人吃惊的,因为初期MRAM给人极其耗电的印象。在过去的25年,此项技术从热能辅助、三明治式叠层转变为了垂直磁通道结点、旋转传输(PMTJST-MRAM)结构。

现在回到我们最初的问题:该怎么应用MRAM ? 首先,请考虑电子产业变化之快,机遇的来源。现实增强系统(AR)、辅助驾驶车辆、无人机和阵势浩大的物联网技术此类新产品品类,就在我们眼前。

格芯负责嵌入式内存副总裁Dave Eggleston指出,绝大部分新系统都依赖于快速的视觉图像处理。车辆必须实时处理图像数据以避免车祸,这需要视觉图像处理器和高速内存。

「无人机就是一个很好的例子,你需要减轻重量,加强电路的节能,让无人机飞行更长时间。无人机如何导航?通过建立3D地图。它拥有自己的视觉系统,可以实时的将地理信息转化储存为地形数据。」Eggleston表示。

MRAM拥有一些出色的特性:比eFlash多1000倍的读写次数和快1000倍的速度;比SRAM更加紧凑,且更通用;无需扰乱逻辑晶体管就可植入CMOS逻辑工艺的性能。同时,嵌入式MRAM(eMRAM)是一种需要很少掩膜来制造的技术,比起eFLash先进节点超过12层的掩膜,MRAM只需额外4层。

在最开始,Eggleston并不认为MRAM可以立即用于嵌入式应用。「如果是10年前, 我会告诉你我对此不敢确定。但是因为磁性结点建在线的后端,对于逻辑工艺来说更加容易植入,所以嵌入式设计就说得通了。」他说道。

MRAM可作为工作记忆

「对于急需先进SoC的新兴市场来说,将eMRAM当做一种简单的替换明显是不合适的,eMRAM在移动、物联网、汽车和其他连接性应用中创造了工作记忆的新可能性。」Eggleston表示。

假设一块复杂芯片拥有4个图像处理单元和一个视觉处理单元,那一块MRAM模块可用来储存代码,另一块eMRAM板块可以用来储存数据。「想要将数据存于非易失性媒体中是无法摆脱对SRAM的应用的,这是因为eMRAM的运行速度不够快。可是,你可以缩减SRAM的数量并将eMRAM当做类似SRAM的内存来使用。因为eMRAM的结构更紧凑,你可以降低设计的成本,从更小的芯片上获得更多的数据。」Eggleston提到。

利用eMRAM的「持久性」(数据维持能力)特征,软件和SoC设计师可以学到新的能力。eMRAM在成本和性能上的优势就是Eggleston称为让eMRAM成为eFlash的可靠替代品的「入场筹码」。可是eMRAM所具备的新能力将会让系统设计者不禁问道:「我如何在我的芯片结构中利用它呢?」

曾在多家磁盘驱动公司从事技术管理部工作的Coughlin表示,MRAM「绝对拥有替换DRAM和SRAM的市场,它甚至可能替换NOR。我们正处于内存进化领域的寒武纪大爆发,NAND闪存将继续为大批量储存服务。而在储存的另一级别上,MRAM或者英特尔-镁光的相位转化内存也将出现在应用中。」

「因为新的应用需要更高的性能表现,与此同时,物联网系统正生成更多的数据,所以内存系统设计者将使用多层结构。相位转化或阻性内存的新层次和NAND将可以弥补SRAM和DRAM的不足。」Coughlin说道。

「这是一个非常有趣时代,对于未来的变化和发展,我们拭目以待。我坚信MRAM具备坚实的基础,必能在竞争中获得一席之地。」Coughlin表示。

22FDX® eMRAM

Eggleston说,格芯将继续延续嵌入式闪存的使用,但是格芯的计划是将eMRAM与另一项具备低掩膜数量优势的技术进行结合:基于全耗尽式 22FDX平台。

基于22FDX®的产品于今年进入市场,Eggleston表示,eMRAM将在下一年可以正式准备就绪。这个时间安排与通常将NVM应用到新逻辑技术的4~5年时间形成了鲜明的对比。

「对于需要嵌入式内存的客户来说,在22FDX 逻辑启动之后,在如此短时间内将eMRAM带入22FDX®是个巨大的成功。有了eMRAM,顾客无需重新定义他们的设计,因为eMRAM作为平台的延伸,并不是独立存在的。」他说道。

由于eMRAM不会移动下层的晶体管,设计者可以有效地设计基于22FDX®的SoC,而eMRAM可直接由逻辑电压供电。「eMRAM的使用是十分直接的,植入效果令人难以置信,它只依靠逻辑电压运行。」他说道。

制造经验

其他公司已公开了他们自己的MRAM发展计划。Coughlin提到,Everspin很早便将自己的MRAM加入了CMOS逻辑晶元的线后端,现在与格芯形成了完整制造合作伙伴关系。Everspin发售的256-Mbit和即将出现的1 Gigabit 密度的离散MRAM将由格芯生产。Coughlin估计,到目前为止Everspin已售出6000万个离散离散MRAM。


摘自: Everspin,超过3代的MRAM领先地位

格芯与Everspin在制造方面有长期的合作经验,在沉积、蚀刻、计量和其他MRAM多层磁堆叠独有的制程技术上多年的制造经验让格芯积累了核心和关键知识。

Coughlin说,与Everspin形成的制造和技术伙伴关系,让格芯在eMRAM的竞争中取得领先。「我相信这是非常重要的前沿性的成果,让我们的合作伙伴拥有了实际产品上的优势,不过他们仍需努力维持这种领先。」 Coughlin说道。

Eggleston提到,格芯和Everspin的旋力传输MRAM在过去两年在晶元操作上提供了「大量的学习周期」。「当我们开始22FDX® eMRAM的生产时,我们已经制造MRAM四年了。毫无疑问,这加快了我们嵌入式方案进入市场的速度。」他说。

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