Page 42 - 毫米波助攻 加速落實5G藍圖

DESIGN FEATURES
高達246%的高穿隧磁阻以及超過 1010的耐用度。這些改善讓VCMA- MRAM的效能超過STT-MRAM運 作，使得該元件成為高效能、超 低功耗和高密度記憶體運用的理 想選擇。
用，從而有望實現真正統一的快 取記憶體。
行轉換。在這些隱藏分層的節點中 施加權重，網路內部的可學習參數 會持續轉換這些輸入資料。類比 記憶體內運算是實現神經網路權 重時極具前景的架構性解決方案。 為此，業界正探索不同類型的記憶 體，包括具有大電阻值的低功耗、 非揮發性電阻式記憶體。
仍然存在的主要挑戰之一是 增加VCMA效應的範圍。在現有的 材料組合下，它只能夠切換低保 留度(retention)的自由層幾天到 幾週。切換高保留度的自由層需 要更高的VCMA效應，這仍有待材 料方面的突破。imec正在其現有 的300mn VCMA-MRAM平台上積 極地推動這一領域進展。
但是朝向產業應用的長路漫 漫。這種元件的製造十分複雜，而 且在多柱結構上的完整功能仍有 待證明。imec正逐步地朝向此一 目標，使用垂直的MTJ建構區塊， 在單個3端元件上的VG-SOT概念 已經成功地展現在300mm晶圓 上了。imec現正準備利用相容於 CMOS製程的步驟，致力於多柱裝 置結構的全功能驗證。
SOT-MRAM承諾能夠滿足 這些要求。由於具有單獨的讀取 和寫入路徑，能夠在不影響寫入 路徑的情況下增加MTJ堆疊的電 阻。採用這種方式，可以取得一個 非常大的電阻——也因此通過穿 隧接面的電流很低。當利用多柱 SOT-MRAM結構時，現在可以加 總來自不同MTJ柱的電流(實際的 記憶體內運算)，總電流會產生可 以做為輸入訊號權重的類比訊號。 當來自不同SOT-MRAM單元的個 別電流夠低時，最終加總的電流 仍舊是可行的。
VG-SOT承諾擁有一切
相較於獨立的同類產品，VG- SOT元件的概念降低了在SOT和 VCMA效率上對於材料屬性的要 求。當然，來自材料面的創新仍舊 是必要的，才能讓元件更有效率。 如今，業界正在為SOT層探索具有 更高自旋軌道轉換效果的新材料， 旨在減少能耗。此外，目前也在尋 找具有較大VCMA係數的材料。這 個係數決定了當施加電壓時保持 力的變化程度。此外，為了進一步 提高TMR讀數，針對MTJ堆疊中氧 化錳(MgO)替代方案的基礎研究更 高度相關。
最近業界提出了一個新的寫 入方案，它結合了VCMA和SOT效 應的優勢:電流-閘極輔助的自 旋軌道力矩MRAM元件(VG-SOT MRAM)。在此元件中，SOT效應 再次負責切換自由層。但是VCMA 頂層閘極現在輔助此一運作，作為 MTI選擇器。這個篩選過程是透過 施加電壓而執行的，隨後改變自由 層的穩定性，從而改變其保留度。 在此概念之下，人們可以思考多柱 的單元結構(在共同SOT線路上有 多個MTJ柱)，其中一個VCMA頂層 閘極選擇哪一個支柱被寫入。這個 概念有望解決傳統SOT技術中的 密度限制，這需要每個位元單元 都有一個大型的選擇器。此外，如 同傳統的SOT，VG-SOT能夠在次 奈秒狀態，進行快速的切換。因 此VG-SOT具備的所有特性，讓它 能夠在任何快取記憶體中發揮作
VG-SOT MRAM用於記憶體 內運算的潛力
在VLSI 2021，imec首次展示 了利用多柱SOT-MRAM (具選擇性 VCMA-輔助寫入)來實現多級深度 神經網路權重的可行性。在此實驗 中，在一個SOT軌道上具有四柱的 元件可被用於實現九級的權重。
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利用VCMA輔助的多柱SOT- MRAM，也被視為是類比記憶體 內運算用於實現多級深度神經學 習權重的候選技術。
展 望:磁 域 壁 元 件
深度學習是機械學習的一個 分支，其中人工神經網路——受人 腦所啟發的運算——能夠從大量 的資料中學習。神經網路包含一系 列的隱藏分層，能夠對輸入資料進
從長遠來看，imec探索其他 不同的MRAM元件建置方式，並看 好可提供更高密度的MRAM位元單 元:磁域壁元件。這類元件的輸入 資訊在磁域壁進行編碼，連接具有 不同磁化強度的個別區域。這類元 件採用沿磁軌運動的磁域壁來運 作，並可透過自旋軌道力矩來控