Page 36 - 毫米波助攻 加速落實5G藍圖
P. 36
DESIGN FEATURES
技術縱橫
MRAM技術:從太空應用到統一 的快取記憶體?
作者:Sebstien Couet ，imec MRAM 專案經理
磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)是一種非揮發性記憶體技術，主要依靠兩個鐵磁層的(相對的)磁化 狀態來儲存二進位資訊。近年來出現了不同特性的MRAM記憶體，使得人們對於MRAM用於快取記 憶體以及記憶體內運算(IMC)的興趣日漸增加。
本文討論各種MRAM家族成 員——包含自旋轉移力矩(STT)、 自旋軌道力矩(SOT)、電壓控制 (VCMA-SOT和VG-SOT)以及磁 域壁(domain-wall)等MRAM記 憶體的挑戰與前景。另一方面也 突顯了imec的關鍵角色，也就是 開發一個與CMOS相容的300mn 平台，讓MRAM的技術得以邁向 下一個階段。
記憶體是電子系統中關鍵的 零組件之一，能滿足各式各樣的需 求——從資料儲存、快取、暫存到 最近的記憶體內運算。過去幾十年 來，記憶體產品的面貌未曾改變， 從快取到儲存都有清楚的層次結 構。靠近中央處理器(CPU)、快速 且具揮發性的嵌入式靜態隨機存 取記憶體(SRAM)是最主要的記憶 體。在晶片上還有較高階的快取記 憶體，通常是由SRAM或嵌入式動 態隨機存取記憶體(DRAM)技術所 組成。遠離CPU之外的晶片，你主
轉變中的記憶體景象
儘管記憶體密度有著大幅度 的改進，所有這些記憶體都在努力 跟上效能日益增加的邏輯晶片和龐 大的資料成長率，並驅動著對於獨 立和嵌入式應用的替代性記憶體 技術之探索。新興的選項從針對快 取級應用的新技術、改善DRAM元 件的新方法、彌補DRAM和NAND 技術間差異的新興儲存級記憶體， 以及改善3D-NAND儲存裝置和檔 案類型的應用等解決方案。這些新 興記憶體的其中之一就是MRAM。
當然，MRAM並不算是新技 術:其發展可以追溯到好幾十年 前。它的第一個應用(例如切換模 式的MRAM)是依賴磁場驅動的開 關，其中一個外部磁場被用來切換 和寫入記憶體的位元單元。這個磁 場是經由使電流通過銅線所產生 的。這是一項很好的工程技術，但 是以磁場驅動的開關無法微縮至 更小的尺寸——隨著電路線尺寸 減少，達到所需磁場的必要電流 隨之增加。因此，該技術永遠無法 產生高密度的MRAM應用，而只能 侷限在一些利基型的應用上，如太 空——目前仍在使用中。在太空的
34 www.edntaiwan.com
要會看到DRAM晶片作為工作用的 記憶體，非揮發性的NAND快閃記 憶體(Flash)用來儲存，磁帶則做 為長期的存檔應用。一般而言，距 離CPU較遠的記憶體比較便宜、速 度較慢、密度越大且較不易揮發。
件是磁穿隧接面(MTJ)，其中的薄 介質層夾在磁性固定層和磁性自由 層之間。記憶體單元的寫入是透過 切換自由鐵磁層(即MRAM位元單 元的「儲存」層)的磁化而實現的。 讀取時，MTJ的磁阻則經由電流通 過接面而加以衡量。這種穿隧磁阻 (TMR)可以高或低，主要根據自由 層和固定層的磁化相對方向(即平 行或不平行，代表1或0)來決定。
MRAM研究的初期:從實驗 室到太空
DRAM和NAND快閃記憶體等 傳統記憶體利用電荷來儲存二進位 資料(0或1)，而MRAM則利用了鐵 磁層的集體磁化狀態。其核心元
