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公司博客

MRAM助力跨越鸿沟

经过几十年的发展,嵌入式STT-MRAM即将上市,取代嵌入式NOR闪存,后者由于功耗、掩模复杂性和位单元扩展问题,不再适用于28nm之后的节点。

我多次参加IEDM会议,见证各企业在逻辑领域正面交锋不断;例如,英特尔和IBM在微处理器逻辑器件上的竞争。12月初在旧金山举行的第64届国际电子器件大会以存储器为中心,格芯和其他几家公司的工程师在IEDM讲坛上探讨了各自的嵌入式MRAM计划。

数据存储咨询公司Coughlin Associates总裁Tom Coughlin,引用 Geoffrey Moore 1991年的书,指出:“几乎所有的新技术横空出世,都要经过多年的‘跨越鸿沟’阶段,以证明其可靠性并获得客户的认可。”

Coughlin表示,“扩展技术已经解放了半导体行业,使其不再受摩尔定律的约束。我们正在摆脱传统的芯片制造方式,而转向小芯片。同样我们也不能像以前那样去打造传统的存储器。”

嵌入式MRAM是半导体行业不断创新的主要例证。经过几十年的发展,MRAM终将替代闪存技术而进入市场。格芯(新加坡)MRAM器件主管Kangho (Ken) Lee表示,格芯与STT-MRAM制造合作伙伴Everspin Technologies(Chandler, Ariz.)达成联合开发协议,从而获得相关技术和制造经验,在MRAM领域处于领先地位。

整装待发

在12月初的IEDM大会上,我遇见了Lee和他的同事,可靠性工程师Lim Jia Hao,便询问道:“MRAM准备好了替代NOR eFlash吗?”

Lee指出,“我们一直在为Everspin做产品,这绝对是有帮助的。我们的嵌入式MRAM正准备投入生产。当前正在进行工艺认证,有望很快完成。替代NOR闪存几成定局,技术上已没有障碍。”

Lee在IEDM以“22nm FD-SOI嵌入式MRAM技术在低功耗1级汽车MCU中的应用”为题的演讲中,详细介绍了公司为满足汽车市场的严格要求所做的工作,在汽车市场上,嵌入式存储器必须能够承受零下40摄氏度至最高150摄氏度范围的工作温度。

“我们在此次IEDM上讨论的是汽车级应用MRAM。到目前为止,还没有哪家公司提供过这种温度范围下的宏观数据(尤其是在150摄氏度的情况下)。我们要展示汽车MRAM的可行性,这对于未来支持嵌入式STT-MRAM成为非易失性存储器平台非常重要。”Lee表示。

值得一提的是,格芯eMRAM具有百万分之一以下精度的误码率(BER)和极好的可靠性。“MRAM应用前景广泛,我们的技术平台可以服务于许多应用。先进驾驶员辅助系统(ADAS)可算其中非常重要的应用之一。其中一个挑战是在高达150摄氏度的温度条件下保持读裕度。由于器件特性,在较高的温度下MRAM的读裕度会下降。”Lee表示。

通往汽车认证之路

嵌入式存储器的高级主管Martin Mason指出,格芯正与客户积极合作,通过22FDX® 平台使用嵌入式MRAM进行全新设计。预计2019年将会有多款产品进行流片。

首先是物联网和其他以低能耗为中心的设计,接着是2020年的汽车用SoC。Mason指出,格芯现有客户中“很大一部分”正在生产复杂的汽车用微控制器。对于格芯和汽车行业未来的产品路线图来说,MRAM获得汽车认证至关重要。

“要满足汽车客户的要求已无大碍。我们商定在2020年下半年取得资格认证。我们有了路线图和实现途径,这才是重点所在。当前我们已经具备eMRAM模块,正在与客户合作进行全新设计,以推出具有特色的产品。我们有信心达到规格要求吗? 答案简单肯定,只是还要一点点工程方面的努力。”Mason表示。

Objective Analysis公司的存储器分析师Jim Handy指出,像心脏监测器这样的消费设备往往不会超过人体的体温太多。但发动机或变速箱控制器必须在各种温度下工作,包括高温和低温,这就为eMRAM“设定了一个艰巨的目标”,Handy指出。然而这是消费者所需要的;目前还没有超过28纳米的NOR闪存替代产品。

Handy指出,“MRAM在前沿节点可能很有吸引力,这不仅是因为发动机和变速箱控制器等高复杂度MCU,也可能是因为娱乐系统(并非必不可少)。”他补充道,现代汽车中的MCU数以百计,其中大多数将继续采用稍老一些工艺节点上的NOR闪存。

节约电动汽车电池能耗

Coughlin表示,随着电池动力的ADAS汽车上市,汽车制造商正在寻求耗电较少且耐高温的高复杂度MCU。Coughlin指出,“当前目标是ADAS 4级自动驾驶,系统非常之复杂。由于这些MCU的晶体管数量很多,企业需要采用前沿技术进行设计,而eMRAM刚好可堪重任。”同时还补充道,“最大的问题在于,MRAM是全新技术,行业还没有太多的制造经验,尤其是在高温环境下。”

Mason表示,有了eMRAM 22FDX平台,格芯汽车客户不仅可以用来开发发动机和变速箱控制单元,还可用于开发高温工作条件下的其他处理器。位于仪表盘、ADAS射频雷达和激光雷达系统或安装在汽车前后挡风玻璃上的摄像头中的MCU,都可能受热源影响,暴露在苛刻的热环境中。

不同接口,并排放置

Mason描述了格芯特有的一项功能:用一个较小的eMRAM模块(带有SRAM类型的接口)替换NOR闪存的eMRAM模块,将其放置到芯片上。这些经过验证的预制eMRAM模块可以融入22FDX设计中。当前已有采用单磁隧道结(MTJ)位单元构建的32Mb和16Mb的模块,而带有4Mb模块的NOR闪存型接口计划在2019年上半年实现。带有类似SRAM接口的2Mb模块每个位单元使用两个MTJ,以提高读写速度。

格芯22FDX eMRAM支持两种类型的模块,资料来源:格芯

两种类型的模块使用相同的底层MTJ和不同的感应放大器,闪存类型的模块具有存储代码的接口,而SRAM类型的模块会驻留在同一个芯片上,用作持久工作存储器,在微控制器内形成完整系统。

Mason指出,“许多客户在他们的设计中都使用这两种模块。与SRAM相比,22nm工艺节点上使用MRAM在提高晶体管密度上贡献不大,但客户告诉我们,‘密度无关紧要,重要的是功率。’在诸多此类便携式应用中,功率才是关键。客户非常喜欢利用这种持久性来节约芯片内部的能耗,它具有完全静态的能力,支持快速断电启动并保留数据值。”

Handy在职业生涯的早期是一名存储器设计师,他表示,几十年来大多不同的晶体管(闪存和SRAM)中,人们一直为独立ROM和SRAM功能编写代码。他指出,“有一天人们突发奇想将SRAM功能纳入MRAM之中,随后他们就得相应改变编写代码的方法。但30年来养成的编写代码习惯,人们已经习以为常,要适应当假以时日才行。”

Handy表示,MRAM位单元如果建立在较低金属层,间距更小,其体积有望相当小。与SRAM缓存相比,MRAM位单元面积有望缩小近一半,从而节省芯片尺寸。然而在较高金属层,MRAM与SRAM两者尺寸相似。

Mason表示,格芯正与多家客户开展合作,在基于22FDX®的设计中采用eMRAM运行多项目晶圆(MPW)。嵌入式MRAM已通过多次(五次)回流焊测试,显示出更长的数据保存期限和耐久性。它的读取速度与闪存非常接近,而写入速度(200纳秒和20微秒的比较)要比闪存快得多(数量级的差异)。

Mason补充道,“结合低功耗背栅偏置SOI工艺和射频功能,格芯22FDX平台实现了高度差异化的物联网开发技术。当前行业正面临关键转变,走向全新NVM存储器和绝缘体上硅技术。”

他表示,客户将在下一代物联网(MCU)设计中评估格芯的MRAM 22FDX工艺,以利用这些新技术。

“使用eMRAM时,很少出现数据保存期限问题,而这正是闪存的主要问题所在。我们有非常广泛的设计成功渠道,所获设计大奖奖金超过2.5亿美元。我们正在准备生产,当前处于资格认证的最后阶段。与其他嵌入式MRAM解决方案不同的是,我们的设计非常可靠——我们认为这是方案得以替代eFlash存储器的关键,也是方案跨越早期流行到主流接受阶段之鸿沟的关键。”

Coughlin指出,“MRAM势必发生,但目前尚有一道坎要过。”当一项新技术进入市场,他表示,“通常情况下,我们会在不同领域进行尝试,以确定在哪些市场性能出色。这正是MRAM当前所面临的境况。开始增加产量并分摊成本。重中之重是增加产量。成本降得越低,就越会受到青睐。”

 

 

 

 

关于作者

Dave Lammers是固态技术特约撰稿人,也是格芯的Foundry Files的特约博客作者。他于20世界80年代早期在美联社东京分社工作期间开始撰写关于半导体行业的文章,彼时该行业正经历快速发展。他于1985年加入E.E. Times,定居东京,在之后的14年内,足迹遍及日本、韩国和台湾。1998年,Dave与他的妻子Mieko以及4个孩子移居奥斯丁,为E.E Times开设德克萨斯办事处。Dave毕业于美国圣母大学,获得密苏里大学新闻学院新闻学硕士学位。

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