eMRAM时代终于要来了？

日前，晶圆大厂格芯宣布，其22nm FD-SOI 平台的嵌入式eMRAM已投入生产。公司也在接洽多家客户，计划2020年安排多次生产流片。此次公告是一个重要的行业里程碑，表明eMRAM可在物联网(IoT)、通用微控制器、汽车、终端人工智能和其他低功耗应用中作为先进工艺节点的高性价比选择。

图源：YOLE

而据Yole数据统计显示，到2024年，eMRAM将增长到12亿美元，这得益于一些大型公司的支持。而独立的MRAM市场预计将比eMRAM市场增长缓慢，到2024年的销售额约为5.8亿美元。后者更将带动晶圆代工厂涉足这个市场，多年酝酿之后，eMRAM终于要爆发了？

eMRAM确立领先地位

MRAM是Magnetic Random Access Memory的缩写，中文名称“磁性随机存取存储器”。而eMRAM是指嵌入式磁性随机存取存储器，可作为系统级芯片（SoC、MCU 等）产品的片上存储解决方案。

不同于传统半导体存储器如DRAM、SRAM 和 NAND 闪存等利用电子的电荷特性进行数据存储，eMRAM的技术原理是利用电子的自旋特性实现数据存储，其核心存储器件为磁性隧道结 MTJ。

要说eMRAM的发展机会，就不得不先谈起嵌入式闪存（eFlash）。

eFlash是一种存储模块，用于将信息存储在系统半导体中，例如微电子单元（MCU）和用于小型电子产品（如IoT设备）的SoC中的信息。专家认为，28nm / 22nm硅光刻节点将是eFlash的最后一个具有成本效益的技术节点，而向22nm几何尺寸的过渡就必须找到一种新的嵌入式NVM技术，来适用于新型且快速增长的低功耗应用的替代产品。要知道这是由于经济原因，而不是技术可伸缩性限制。

eflash技术的演进（图源：ISSCC 2020）

eMRAM时代的到来很大程度上是因为嵌入式NOR闪存需要太多的掩码（一打或更多）才能在28nm节点或更高的节点上制造，嵌入式NOR闪存也需要高电压才能写入数据，而且写入时间相当长。

与NAND闪存比较的话，eMRAM的单元大小与NAND闪存相当。但是，与NAND闪存不同，它仅需要额外的2或3个掩模层，这使得添加到CMOS裸片变得容易得多。与NAND闪存不同，它没有耐久性问题。这将是非常重要的，特别是对于那些由于大量写入活动而导致NAND闪存故障的现场问题的公司而言。

相较于其他新兴嵌入式NVM，除了卓越的性能，eMRAM也具备更高的技术成熟度：成熟的磁学物理理论，简单可控的写入机制 (无需先擦除再写入，也无需分步写入)，单比特出错率低，业界已经有28纳米以下的成品，可展示多个Megabit阵列，高良率，高可靠性，并能够与先进工艺无缝融合。下图为不同嵌入式NVM技术比较。

不同嵌入式NVM技术比较（图源：avalanche-technology）

凭借其高数据密度、高速度，耐用性，低功耗和非易失性的特点，以及卓越的性能和技术成熟度，嵌入式非易失性存储器eMRAM成为设计公司在28nm及以下工艺平台的不二选择。

eMRAM之于MCU

现在几乎所有的MCU细分市场现在都使用eFlash解决方案。而eMRAM比eFlash更快，更省电。首先让我们看下eFlash的几个重要衡量参数，包括在特定温度范围内的持久性和保留率，以及内存模块在最大系统频率下需要多少等待状态(额外的时钟周期)方面的性能。下表比较了eMRAM与ST Micro (ST)、TI、Microchip、NXP和Freescale等公司基于ARM的SoC中广泛使用的闪存。

高级嵌入式非易失性内存需求比较（图源：avalanche-technology）

微控制器单元(MCU)是单个集成电路上的小型计算机，通常包含中央处理单元(CPU)核心、静态随机存取存储器(SRAM)模块、嵌入式闪存模块（eFlash）、系统集成模块和包括定时器、模数转换器(ADC)、串行通信和联网的外围模块。片上闪存提供的可编程代码存储有助于降低生产成本，扩大实时自适应控制应用。

相比eFlash主要用于代码存储，eMRAM在MCU中可以同时存储代码和数据，从而实现高效的小系统解决方案。eMRAM是一种可伸缩、高性能、节能的嵌入式非易失性技术，可作为MCU内存子系统的一部分，它可以提供非易失性数据存储需求。而且eMRAM具有非常高的数据持久性和数据保留限制。

对SoC设计者来说，eMRAM为其提供了显著的性能优势，包括超快地写入速度 (<200ns)，极高的擦写次数 (~10E8 次)，可 在逻辑Vcc供电下运行 (无需Charge PUMP)，功耗低比eFlash低10倍，无bitcell静态漏电（0 pA vs 50pA for a SRAM bitcell）。

自从三星和Arm在去年6月共同开发eMRAM以来，有关eMRAM的研究一直很活跃。随着全耗尽式绝缘体上硅（FD-SOI）作为基底技术的广泛商业化，eMRAM的市场机会进一步涌现。eMRAM与FD-SOI两者的搭配带来了同类产品最佳的性能。不同于eFlash是一种前端技术，eMRAM的磁性存储元件搭建于后端金属层上，这就利于将其集成逻辑制程，FD-SOI不会对前端晶体管造成影响。

晶圆厂积极拥抱eMRAM技术

过去，人们认为eMRAM无法商用，因为它在制造成本和可靠性方面存在巨大挑战，具体表现为材料复杂、高温条件下的数据维持能力低、抗磁力干扰能力差，价格高昂和制造过程复杂。因其技术特点和应用场景与逻辑工艺紧密相关，所以eMRAM技术工艺得到了全球前几大代工厂商的高度重视。

通过业界的不断努力，几大晶圆代工厂已经解决了材料及制造工艺过程复杂的问题，多家主流晶圆设备生产商与晶圆厂采用了更适合eMRAM 技术的淀积和蚀刻装置，提高了产出，使得生产成本具备了竞争力。

在ISSCC 2020上，台积电介绍了其32Mb MRAM的进展。台积电的嵌入式MRAM芯片采用22nm ULL逻辑制程，22nm ULL逻辑平台提供超高Vt NMOS/PMOS (eHVT)，低功耗待机模式下电流小于55uA，唤醒时间低于100ns，与40nm超低功耗平台相比，待机功耗降低约3.3倍。其读写速度为10ns，读取功率为0.8 uA/ mhz，可以承受1M循环写寿命可靠性测试，可将数据在150°C下保持10年。并且有per-SA微调和1T4R参考单元的传感方案，可以在较宽温度范围内运行。

台积电32Mb MRAM特征和模型（图源：ISSCC 2020）

早在2017年5月，台积电技术长孙元成发表eMRAM和eRRAM（嵌入式电阻式记忆体）技术，分别预定在2018年和2019年进行风险性试产，且将采用22nm制程，其目标就是为了达成更高的效能、更低的电耗以及更小的体积，满足智慧化与物联网的全方位运算需求。

今年2月28日，格芯宣布，其基于其22nm FD-SOI 平台的嵌入式、磁阻型非易失性存储器(eMRAM)已投入生产。据悉，新的eMRAM具有非常强的鲁棒性，可以将数据保持在-40摄氏度至125摄氏度的温度范围内，并且可以承受100,000个周期，因此可以将数据保留长达10年。格芯并未透露将利用其eMRAM的特定产品，但表示正在“与多个客户合作，并计划在2020年安排多次生产流片”。

据格芯介绍，他们的eMRAM旨在通过提供性能，可靠性和功耗方面的改进来替代老化的NOR闪存，并且可以定期通过更新或日志记录进行重写。其写入速度大大提高，主要归因于技术的本质：基于磁阻原理，对存储材料的写入在写入所需数据之前不需要擦除周期，从而大大提高了写入速度。宏容量从4-48Mb不等，将作为合作伙伴的嵌入式工具包提供。

格芯的差异化eMRAM部署在业界最先进的FDX平台上，在易于集成的eMRAM解决方案中提供了高性能RF，低功耗逻辑和集成电源管理的独特组合，使客户能够提供新一代的超高性能，低功耗MCU和连接的IoT应用。

三星大约在一年前开始在28nm平台上开始批量生产eMRAM。2019年3月，三星推出首款商用eMRAM产品，三星的eMRAM模块采用三星的28nm FD-SOI工艺技术制成，可以通过添加三个额外的掩膜集成到芯片制造工艺的后端。因此，该模块不一定依赖于使用的前端制造技术，允许将其插入使用bulk、FinFET或FD-SOI制造工艺生产的芯片中。三星表示，由于其eMRAM在写入数据之前不需要擦除周期，因此它比eFlash快1000倍。与eFlash相比，它还使用了较低的电压，因此在写入过程中消耗的能量大约为1/400。

另外在2019 IEDM上，三星成功演示了采用28nm FDSOI技术的高密度1Gb嵌入STT-MRAM。基于高度可靠且可制造的eMRAM技术，在满足令人满意的读取，写入功能和10年保留时间的情况下，可以达到90％以上的高良率。并且达到了高达1E10周期的提高的耐久性，从而扩展了eMRAM应用。

英特尔是在2018年12月上旬的国际电子设备会议（IEDM）上首次发表详细介绍其MRAM研究的新论文。英特尔推出一款整合于其22nm FinFET制程的自旋转移力矩式记忆(STT-MRAM)，称其为首款基于FinFET的MRAM技术，并表示该技术目前的生产已经就绪。

除了台积电，中芯国际和华为海思也开始积极进行布局，并且取得了快速发展。但总体来看，我国境内地区eMRAM技术领域则相对非常空白，主要为几家高校和科研机构从事较为分散的自旋电子基础科研活动。在ISSCC 2020上，国立清华大学介绍了关于STT-MRAM的进展，他们证明22nm 1Mb 1024b-读和近内存计算双模式STT-MRAM宏具有42.6GB/s的读带宽，适用于安全意识强的移动设备。

在各大晶圆厂的努力之下，eMRAM的商业化发展很快。2018年，Arm发布了业界首款基于三星Foundry 28FDS工艺技术的嵌入式MRAM (eMRAM)编译器IP，包括一个位于18FDS (18nm FDSOI工艺)的eMRAM编译器。这一平台有助于推动在5G、人工智能(AI)、汽车、物联网(IoT)和其他细分市场的功耗敏感应用领域的推动新的前沿设计。

2019年12月16日，Mentor宣布，它将为基于Arm Found的eMRAM（嵌入式磁阻随机存取存储器）编译器IP提供独特的IC测试解决方案，该解决方案基于三星的28nm FDSOI工艺技术。Mentor的eMRAM测试解决方案利用了Mentor经过行业验证的Tessent Memory BIST产品，为SRAM和eMRAM提供了一套统一的存储器测试和修复IP。

结语

虽然采用eMRAM技术的产品不会这么快出现在市场上，但从这些晶圆大厂的发展走向来看，新一代嵌入式记忆体技术与次世代非挥发性记忆体的组合不仅为旧式记忆体的困境带来新的发展契机，也为新式记忆体解决方案的发展迈出一大步。

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