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MRAM邁進主流,為物聯網和汽車應用提供低功耗解決方案
日期:2020-03-08 13:27:01   作者:
國際電子器件大會(IEDM)是非常重要的行業盛會,原因之一在于,它能讓我們了解半導體產業如何在技術選擇方面趨向一致,這些技術可能是氧化鉿柵極氧化層或浸沒式光刻,也可能是本文所討論的磁性隨機存取存儲器(MRAM)。

去年12月在舊金山舉行的2019 IEDM大會上,各家大型晶圓廠以及英特爾都演示了可嵌入在CMOS邏輯器件中的MRAM技術?梢哉f,在可靠性和制造經驗方面,格芯相對于其他公司具備一定的優勢,但顯然其他公司也在積極布局MRAM技術。

MRAM的時代已經到來,這在很大程度上是因為嵌入式NOR閃存(eFlash)在28nm甚至更小的節點上進行制造所需的掩膜過多(十幾個甚至更多)。嵌入式NOR閃存還需要高電壓能力來寫入數據,而且寫入時間非常長。雖然MRAM也面臨著一些挑戰,但與eFlash相比,它的速度更快,功耗更低。


顯著節省能耗


位于加利福尼亞州洛思加圖斯的Objective Analysis公司的資深存儲器分析師Jim Handy表示:“如果您的應用要向NOR閃存寫入大量數據,那么您將會更青睞MRAM。閃存的能耗非常高,因為它寫入數據的時間太長,還需要高電壓。如果遷移到MRAM,將會顯著節省能耗。MRAM的寫入能耗降低了幾個數量級,而讀取能耗大致保持不變!

Handy指出,開發微控制器的公司可以選擇:在SRAM上進行加載作為工作存儲器,將代碼存儲在外部(分立式)NOR閃存上;蛘,他們可以跳過這一步,直接遷移到嵌入式MRAM(eMRAM)。他表示,由于SRAM需要六個晶體管來存儲一個位,MRAM通?蓪⒚芏忍岣咭槐渡踔粮。

另外,在SRAM需要電池備份的系統中,由于嵌入式靜態RAM(SRAM)的成本包括了芯片和電池,與其相比,非易失性MRAM通常要經濟高效得多。

在2019 IEDM大會上,有一整場專題討論圍繞eMRAM的話題展開。在展示格芯最新的eMRAM可靠性數據之后,常駐新加坡的格芯嵌入式MRAM技術主管Vinayak Bharat Naik表示,他非常歡迎四家公司同時推出eMRAM,這幾家公司依次為格芯、英特爾、三星和臺積電。

Naik表示:“對于客戶而言,如果他們希望從已經使用了很長時間的傳統技術遷移到一種新技術,這個過程不能太突然。一旦最終客戶開始采用MRAM,他們將對使用MRAM取代傳統存儲器越來越有信心!

eMRAM的可靠性和可制造性 


過去一年,有多家客戶請求格芯分享更多數據,以此展示格芯公司的eMRAM技術能夠滿足生產的所有可靠性測試要求,還能耐受可能干擾存儲數據的強外部磁場。 

格芯在2019 IEDM大會上的演示重點解答這些問題,收到了積極的反響。 

Naik的IEDM論文展示了eMRAM在格芯的22nm FD-SOI嵌入式平臺上的可制造性,使用先進的磁隧道結(MTJ)堆疊/蝕刻/集成工藝,在工業級工作溫度范圍內(-40至125攝氏度)實現功能完全、單體密度為40Mb的模塊。該論文還展示eMRAM能夠滿足回流焊要求,并且提供穩定的產品可靠性,在封裝級別上的失效率低于1ppm。

抗磁性研究表明,在25攝氏度的溫度下,單體密度為40Mb的eMRAM模塊能夠在待機模式下耐受1,600奧斯特的極高磁場,在暴露20分鐘的情況下,失效率低于1ppm。在125攝氏度的溫度下,當磁場強度為700奧斯特時,失效率仍然低于1ppm;顒幽J娇勾判 — 存在500奧斯特磁場的情況下,芯片仍然能夠工作。它保持良好的耐久性,在長達一百萬個周期內的失效率低于1ppm,在一百萬個周期之后,電阻分布不會退化,在高溫下工作500小時期間,電阻分布也不會退化。所有結果都在關閉模式下進行了糾錯(ECC)。

Naik說:“磁場可能無處不在。比如,在家里,您手機的充電器可能產生一定強度的磁場。我們必須確保在待機和活動模式下均具備良好的抗磁性,這樣芯片才能夠正常工作!

2018年,在一些重要技術會議上(包括IEDM和有關VLSI技術的研討會),格芯展示了其eMRAM能夠耐受芯片封裝中使用的回流焊步驟,這使得他們能夠在封裝回流焊步驟之前對微控制器(MCU)進行編程。260攝氏度下五次回流焊五分鐘的JEDEC標準經過了封裝級測試的驗證。


提高可靠性


在2019 IEDM大會上,格芯展示了來自所有標準可靠性測試和抗磁性測試的eMRAM封裝級可靠性數據,從而證明我們在eMRAM技術領域具備競爭力。

Naik表示:“在這次IEDM大會上,我們展示了我們的技術可以隨時用于生產,適合各種工業級應用,包括可穿戴設備、物聯網(IoT)及其他諸多應用。格芯在40nm和28nm MRAM產品方面具有豐富的生產經驗,這種經驗一直延伸到eMRAM市場!

格芯工程師在不斷優化磁隧道結(MTJ)單元,包括沉積和蝕刻。Naik表示:“過去一年中,我們在MTJ堆疊和蝕刻以及集成工藝方面都有所改進,以提升持久性,實現更高的開關效率。我們將產品良率提升到90%以上的水平!


節省能耗


Tom Coughlin是一位存儲器和存儲技術咨詢師,擔任年度閃存峰會的主席長達10年,他表示eMRAM“為邊緣或端點的嵌入式產品帶來了諸多可能性,特別是那些對功耗敏感的產品!

Coughlin認為,eMRAM等新興技術的市場必將迎來一次騰飛。他說:“持久性網絡的發展空間巨大,包括工廠4.0,它將智能設備與人工智能相結合,打造更高效的工廠。此外,農業也可能是一個龐大的市場,更多的農場主在農田中放置高效的無線智能傳感器。對于醫療保健應用,則需要更高效地使用電能。很多市場都將推動這種需求。另外,還有一些我們尚未想到的用途,包括很多消費型應用,快速高能效存儲器的新用途才剛剛起步,我們迄今還沒有認識到它們的潛能!

Naik表示,格芯正在穩步推進eMRAM的應用,首先專注于物聯網和工業用途,然后是汽車級eMRAM — 在此類應用中,溫度挑戰更加嚴峻,自動駕駛的數據需求離不開高密度的片上存儲器 — 然后才是使用MRAM作為四級緩存,取代處理器上的部分SRAM。

還有另一個非常龐大的市場,即計算存儲一體化(PIM),我們在2019 IEDM大會上經常對這項技術展開討論。PIM在人工智能(AI)計算中使用某種形式的新興存儲器。MRAM或其他存儲器類型,例如阻性RAM或相變RAM,可以充當邊緣設備中的本地處理元件。Naik表示:“考慮到MRAM具備諸多優良性能,例如快速寫入、高耐久性、高密度和低功耗,MRAM相比于其他NVM擁有獨特優勢,在面向人工智能應用的PIM計算方面潛力巨大!


計算存儲一體化


Coughlin認同PIM技術具備的潛力。他說:“計算存儲一體化可以在任何應用中發揮更大作用,而將人工智能應用放在其他位置運行。我們可以在其他地方進行數據訓練,而將一些學習功能放在設備上。至少,計算存儲一體化可以在本地運行模型,而不是在數據中心運行!

MRAM還可在數據中心扮演更重要的角色。Coughlin表示:“如果系統沒有運行任何負載,MRAM可以保持空閑狀態,當需要數據時,它可以立即投入運行。這讓我們能夠擺脫對易失性存儲器的依賴,而更好地利用非易失性存儲器。MRAM目前在很大程度上是受到了網絡邊緣的能耗敏感型應用的驅動,但它也可在數據中心使用!

總部位于圣地亞哥的Atlazo Inc.,的首席執行官Karim Arabi談到了邊緣設備即將發生的變化。他表示,自動駕駛只是需要海量數據的一種邊緣計算而已。

先進的駕駛員輔助系統(ADAS)需要“靠近傳感器的低延遲計算”。

Arabi表示:“在數據聚合和訓練方面,由于計算功耗和數據大小的原因,云計算更具優勢。但其他應用需要更高的功效,就功耗而言,邊緣計算的成本比通過無線鏈路傳輸至云端的成本要低100至1,000倍。由于隱私性原因,很多數據必須保存在本地!

在典型的馮諾依曼架構中,大約75%至95%的電能用于在存儲器和處理器之間移動數據。Arabi說:“有了MRAM和PC-RAM等新型存儲器架構,我們可以使用MRAM來取代一些SRAM,還可將數據從片外DRAM移動至片上MRAM。無論是MRAM還是PC-RAM,都能夠創建一種新的計算范式。在未來十年內,隨著神經形態計算日臻成熟,MRAM和PC-RAM將變得更加關鍵!


新計算架構


格芯將自己定位為MRAM領域的領導者,致力于幫助客戶開發功能豐富的差異化產品,以及推動潛在的新計算架構等新技術發展。

格芯計算和無線基礎設施部首席技術官兼副總裁Ted Letavic表示:“當今社會已經實現互聯,如果你不能處理功率包絡范圍的數據,不能進行數據分析,那么你就無法從中獲利,甚至無法實現人工智能。我們必須擁有分析能力,也就是邊緣或數據中心計算能力!

展望未來,隱私性將促使我們將數據轉移到邊緣設備,MRAM可在其中扮演重要角色!拔覀兊膫人數據可能在任何位置發布,從網絡邊緣到數據中心。我們希望將這些數據移動至邊緣,以確保您的數據安全,更好地保護隱私性!

推動邊緣計算的第二個因素是帶寬。雖然5G將更多數據傳輸到數據中心,但隨著移動數據容量加速增長,這種方法變得不切實際!凹幢5G甚至6G能夠帶來巨大的前景,但您要傳輸到數據中心進行計算的每一位數據都會占用帶寬。我們要達到的目標是,在邊緣擁有足夠的計算引擎。然后我們可以發送元數據,僅傳輸結果,而不傳輸原始數據!

Letavic表示,多家重要研究中心正與格芯開展合作,研究邊緣計算的這些新方法。

“這遠遠超出了單純的芯片解決方案。我們需要真正改變計算架構。在2019 IEDM大會上的一次采訪中,Letavic表示:“我們并非只討論新的晶體管,以及處理電子和光子的方式,我們討論的是新的架構!

Letavic將新架構稱為即將到來的“計算機設計的文藝復興”,MRAM能夠在其中扮演重要角色。

“在30年時間內,我們第一次考慮采用非馮諾依曼架構,它將帶來巨大的功耗優勢。我們能夠實現比專用架構低100倍甚至1,000倍的功耗!

由于計算存儲一體化方法具有很高的能效,因此MRAM能夠在這些非馮諾依曼架構中扮演中心角色。Letavic表示:“作為器件技術人員,我們能夠在未來30年內不斷改進技術,我們目前仍然沒有達到滿足我們期望的功耗點。我們必須改變架構和軟件堆棧。新的架構帶來新的器件類型、平臺上的新功能以及解決計算問題的新方法!保ㄗ髡撸篋avid Lammers,格芯公司)
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