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嵌入式記憶體的救贖-MRAM

  • 林育中
MRAM從1995年進入研發領域的雷達,在晶片上面積的佔比已越來越高。GlobalFoundries

嵌入式記憶體是邏輯製程中不可或缺的一環,過去卻往往讓人忽略。但是邏輯製程推進日益艱辛,嵌入式記憶體製程推進的難處全浮上台面。主要是記憶體與主要的CMOS製程差距甚大,而單獨(stand alone)的記憶體與嵌入式記憶體的製程又不盡相同,無可借力,因此發展額外吃力。

但是正因為嵌入式記憶體發展遲緩,它在晶片上面積的佔比越來越高,引起注意。先是eFlash,eFlash當然是NOR Flash,是微處理器、微控制器中通常用來儲存程式碼的地方。到了40nm/28nm,有些應用中eFlash面積可能佔晶片面積的30%,快要反客為主了。而20nm以下,eFlash的微縮更加困難-事實上,獨立的NOR Flash現在最先進製程也不過45nm。兼之製程複雜,eFlash製程要於原本邏輯製程上外加9~12道光罩,寫入速度緩慢,又不耐久,需要替代工藝。

大部分代工廠在28nm這一技術節點,普遍都提出eMRAM此一菜單。eMRAM的製程和MRAM相似,加在邏輯製程中只需額外3道光罩,面積大概在50平方特徵尺寸(feature size),速度快又耐用,資料存留10年,替代的理所當然。

eDRAM在40nm以下原來已被放棄,但在「全空乏絕緣上覆矽」(Fully Depleted Silicon On Insulator;FD-SOI)技術出來後似有復起之勢,用來替代邏輯線路中部分的SRAM,降低面積和功耗。但是獨立DRAM製程推進已十分吃力,至十幾nm已經非常艱困,而它的電容器因底面積縮小必須堆高以維持一定電容,這個與周遭的邏輯製程格格不入,MRAM此時又出來救援。

MRAM的刻板印象是永久記憶體,但是若願意降低其資料存留時間,則其寫入時間可以加快、寫入電流降低,這就活生像DRAM了。事實上,在eMRAM的寫入速度降到如DRAM的10ns時,其資料存留時間還有將近1天,也就是說eMRAM不必像DRAM時時需要資料更新(refresh),因此同時節省大量更新電流所造成的功耗。5~7nm的世代,以eMRAM來做為中央處理器的L3高速緩存(cache)已經近乎定案。

SRAM的問題最棘手。目前有些SoC中的SRAM已佔晶片面積50%以上,而且情況持續惡化之中。16nm FINFET製程中SRAM的單元面積約為275平方特徵尺寸,預計到3nm時單元面積成長至約為675平方特徵尺寸,在晶片面積中的佔比會更高。這裡面有一部分的問題因為以eMRAM來做為L3高速緩存得到緩解,但是eMRAM的寫入速度能不能再高?寫入電流能不能再降?這是eMRAM能不能邁向取代L2高速緩存的關鍵。這個問題,我持審慎樂觀的態度。

MRAM從1995年進入研發領域的雷達,現在於嵌入式記憶體算是建立橋頭堡了。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。