DRAM 发展快到尽头,磁性记忆体(MRAM)和相变记忆体(PRAM)是最有潜力的接班人?IBM 和三星电子最近宣称,「自旋传输磁性记忆体(STT-MRAM)」的研究出现突破,有望加速走上商用之途。- y! H& S7 K0 J- f) j$ G - u& S+ q1 m( H4 x! j 韩媒BusinessKorea 11 日报导,IBM 和三星在电机电子工程师学会(IEEE)发布研究论文宣称,两家公司携手研发的STT-MRAM 的生产技术,成功实现10 奈秒(nanosecond)的传输速度和超省电架构,理论上表现超越DRAM。 STT-MRAM 借着改变薄膜内的电子旋转方向、控制电流,表现效能和价格竞争力都优于DRAM。最重要的是,DRAM 很难微缩至10 奈米以下,STT-MRAM 则没有此一困扰。业界人士表示,STT-MRAM 是次世代记忆体中最实际的替代方案,95% 的现行DRAM 产设备皆可用于制造STT-MRAM。IBM 和三星之外,SK 海力士(SK Hynix)和东芝(Toshiba)也协力研发此一技术。 7 Z# z9 Z% ^- c- [6 C 2 g& g6 {( E5 s2 b0 x 除了STT-MRAM,近来相变记忆体(PRAM)也备受瞩目,英特尔的3D Xpoint 就包含PRAM 技术。PRMA 结合DRAM 和NAND Flash 优点,速度和耐用性提高1 千倍,不过目前仍在理论阶段。. P7 I6 \! o% f! s9 u ( P) K6 C: L ^& K; R: h: P FRAM——铁电存储器4 D( s" Q& F2 M: j- W 传统的主流半导体存储器可以分为两类:易失性和非易失性。易失性存储器包括静态存储器SRAM(Static Random Access Memory)和动态存储器DRAM(Dynamic Random Access Memory)。SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。RAM类型的存储器易于使用、性能好,可是它们同样会在掉电的情况下失去所保存的数据。 非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。然而所有的主流非易失性存储器均源自于只读存储器(ROM)技术。正如你所猜想的一样,被称为只读存储器的东西肯定不容易进行写入操作,而事实上是根本不能写入。所有由ROM技术研发出的存储器则都具有写入信息困难的特点。这些技术包括有EPROM、EEPROM和Flash。这些存储器不仅写入速度慢,而且只能有限次的擦写,写入时功耗大。% J8 v( R& i% n; B6 p, m/ u& G * D( }5 W) a x7 z6 y. }' E 相对于其他类型的半导体技术而言,铁电存储器具有一些独一无二的特性。铁电存储器能兼容RAM的一切功能,并且和ROM技术一样,是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型问搭起了一座跨越沟壑的桥梁——一种非易失性的RAM。同传统的非易失性存储器相比,铁电存储器具有功耗小、读写速度快、抗辐照能力强等优点,因此受到很大关注。; G; |7 f9 g( v; F, e 4 p! Y* S* A" v) R 9 [# V+ ~% I/ \4 w K( `3 X' D9 ] 铁电存储器工作原理4 N# L- {0 f$ j. o 8 d' j# L& d; N0 b 当一个电场被加到铁电晶体时,中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时,它通过一个能量壁垒,从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后,中心原子保持不动,存储器的状态也得以保存。 & Q% b6 w$ n' _$ P ( R3 Z$ i+ ~0 I+ x* o! a$ E9 N 因此,在一个外加电场下,铁电材料的极化特性会发生改变,当这个电场去掉以后,这个信息仍然能够保存。没有外加电场的情况下,极化特性有两种稳定的状态。图1是一个铁电材料电容的电滞回线,显示了铁电电容在所加不同电场的情况下的不同极性。其中,最重要的两个参数是剩余极化程度Pr,和矫顽场Ec。在没有电场强度的情况下,+/-Pr就表示了“0”、“1”两个状态。为了获得这两个状态,所加电场必须大于+/-Ec,因此,所需要的阈值电压也就确定了。: w* V& P3 u% q8 O - C5 U# b& [3 {1 Z5 \ 相比之下,铁电电容的漏电流没有EEPROM、FLASH之类的传统非易失性存储器那么重要,因为FeRAM的信息存储是由极化来实现的,而不是自由电子。5 r; m3 \0 y4 q 6 ?) L: S* |/ k$ J( a: z - d* T* P' ~! v( D( Z 铁电存储器的电路结构 & F7 h w# H( ]! {" K& H9 q. ]8 u 4 n, |2 K" L9 R3 ]: e/ J. B" x: o 铁电存储器的电路结构主要分成以下三种:2晶体管-2电容(2T2C)、1晶体管-2电容(1T2C)、1晶体管-1电容(1T1C),如图3所示。2T2C结构由于每一位都有两个相反的电容互为参考,因此可靠性比较好,但是所占面积太大,不适合高密度的应用。晶体管/单电容器结构可以像DRAM一样,使用单电容器为存储器阵列的每一列提供参考。与现有的2T/2C结构相比,它有效地把内存单元所需要的面积减少一半。这种设计极大地提高了铁电存储器的效率,降低了铁电存储器产品的生产成本。1T1C结构的集成密度较高(8F2),但是可靠性较差,1T2C结构是这两种结构的折衷。 2 H! o2 m) o: p! ^) k1 I% | ' o9 q$ `1 ?6 v; V9 t 目前,为了获得高密度的存储器,大多采用1T1C的结构。8 H( I" o4 {+ V+ P9 x 1 k& z; f/ Z# a4 `! T: Z / c( J. s$ Q2 {# \ 此外,还有一种链式结构也被采用,这种结构类似于NAND的结构,通过这种方法,可以获得比1T1C更高的存储密度,但是这种方法也会使得存取时间大大增加。 MRAM磁性随机存储器相关的磁电阻效应和自旋电子学 6 n) O8 b) g$ @4 N5 Q6 N MRAM的全称是Magnetoresistance Random Access Memory,磁致电阻随机存储器。目前,MRAM的诸多研究中,已经可以开始生产的产品结构被称为STT-MRAM(Spin Transfer Torque Magnetoresistance Random Access Memory,自旋注入磁化反转磁致电阻随机存储器)。因此,本文的介绍也基于STTMRAM进行,简称为MRAM。+ j4 L6 z+ s1 }1 f + l3 m, \; H6 J 如果单看上文给出的名字:自旋注入磁化反转磁致电阻随机存储器,如此“高大上”的名称肯定让人眼晕。实际上,MRAM的结构并不复杂,原理也不难。它采用了类似三明治的结构。为了讲清楚它的工作原理,我们先了解一些特性:! a! z) L8 {3 O. y k ( P3 V4 A7 G) \ 1.磁电阻效应:这是指某些材料在强磁场下表现高电阻,弱磁场下表现低电阻(或者相反)。磁电阻效应在很多金属和半导体上都可看到,电阻率变化正负都有,常见的比如锑化铟、砷化铟等都是磁电阻效应比较明显的材料。0 P4 G. Q" \0 t + F! n) V6 G% }6 E* P( b* r; o ! l b! S) X5 h! y 2.量子隧道效应:又称为势垒贯穿,是指电子在表现出波的性质的时候,有一定概率以波的方式越过势垒的效应。简单来说,就是在绝缘层极薄的情况下,它拥有一定的导电能力。 6 h; j: T; m1 M+ M, P8 U 3.自旋注入磁化反转效应:这个效应前文提到了,也就是Spin Transfer Torque。" O) j1 E8 H) p* R9 M6 ? # J8 p9 C: T5 f+ D$ {, v! T: u: P 0 f# N; c- B+ b5 ]6 Q: K 在了解各种效应后,理解MRAM的设计就不难了。如图3所示的MRAM三明治结构。上下两层磁体夹着中间的绝缘膜,其厚度大约几纳米,如此薄的绝缘膜使得量子隧道效应能很自如的展现出来。 $ y- r" ^4 X, g K' S 除了绝缘层外,MRAM中可变磁方向的层(利用自旋注入磁化反转效应)被称为“自由层”,而固定不变的永磁体层被称为“参考层”。 9 C9 @( o0 V' r/ p. V 当一个MRAM单元通电后,电流利用量子隧道效应,在自由层和参考层之间流动。当参考层的磁场方向和自由层相同时,磁场表现为叠加强磁场,电阻变低,电流变大;当两者方向相反时,磁场表现为互斥弱磁场,电阻变高,电流变小,相反的情况也可以。工程人员只需要测试电流的高低差值、或者电压差,就可以很自如的给出1和0两种状态定义,从而存储数据。6 J; N8 U# ~- Q$ p, w; h, _: V ( h4 f9 n% p7 i4 ]7 _+ ]' X! e z; T8 y 不仅如此,由于自由层的磁场方向改变是由于外部条件引发电子自旋方向改变,因此只要外部条件消失,电子自旋方向理论上会稳定持久的存在下去,这就意味着在完成了写入状态后,数据状态会被永久的保留。 * W: Q/ g+ J) P' G# G 从技术原理来看,MRAM似乎不难理解。但是它的理论知识却涉及相对论、量子力学等一些物理前沿学科。当然,在了解了结构之后,人们对MRAM还是抱有一定的疑惑:这东西,真的管用吗?4 z+ k. Z2 g- a) _/ v MRAM的优势—易制造、密度高、速度快、高耐久1 D1 }+ j! Z$ w3 c1 U 4 P5 O, b: v) g% W+ v* p! A 相比目前的DRAM或者SRAM,MRAM的优势还是非常明显的。包括它的高可制造性、高数据密度、高速度、非易失性和耐久性等,都吸引着研发人员的目光。 2 w) T; Z: M2 t7 [, c 高可制造性: {8 N" o% ~. A1 T: @ 4 u7 j2 L6 j5 b MRAM是比较容易使用现有的工艺制造,这是由于其结构本身所决定的。在制造中,人们只需要在后端金属化过程中增加几步需要光刻掩膜板的工艺,即可完成MRAM的大规模制造。除此之外,MRAM和目前的晶体管相容性也非常不错,可以很方便地就嵌入到逻辑电路中。' B7 n$ B$ I3 n* V: }& K: @: e z. q7 T- i+ t4 R$ N MRAM的高可制造性使得全球各大厂商在推广MRAM的生产和研究方面充满了热情。毕竟不需要彻底更新现有设备就能实现全新一代存储颗粒的生产,简直再美好不过了。不仅如此,台湾的一些研究机构还针对MRAM的生产制造做出了一些改进。早期的MRAM采用的是横向水平排列,这样的工艺虽然可以完成,但是在体积上不太容易缩小。因此台湾的芯片制造商开始考虑使用垂直架构来完成产品的生产。目前的核心问题在于如何解决“电流不对称”上,所谓电流不对称,就是指将MRAM的自由层的磁场使用一定强度的电流固定在一个方向后,要使用更大的电流才能将其翻转至另一个方向。这样的情况带来了MRAM在使用和控制上的一些问题,比如能耗比降低、写入速度变慢等。目前对非对称问题的研究很多,很可能部分厂商已经在实验室中得到了完美解决。# l$ N4 j* h: \ A ; ^: l$ R" ? h 高数据密度 % ?' k% K/ ~2 |9 y3 x; ~ + {0 O& C9 L/ R6 X 所谓更小的面积,目前的数据是指相比SRAM,MRAM在同等面积下能够提供大约是SRAM两倍甚至四倍的容量。这个消息对很多处理器生产厂商来说可谓“天籁之音”,因为庞大的SRAM已经占据了太多的芯片空间。. h5 `2 r, p0 J( U$ }' W $ w1 H" F6 [3 e( z5 D o % C' {2 P! U5 y 有关这部分的详细数据,IBM和希捷在2009年的HPCA高性能计算机体系结构国际研讨会上有更详细的阐述。在IBM的数据中,如果使用65nmCMOS工艺制造SRAM和MRAM生产存储单元,那么SRAM的存储单元面积为146个单位面积,而MRAM只有大约40个单位面积。具体面积方面,MRAM能够在3.3平方毫米的面积中容纳512KB的数量,而SRAM在3.62平方毫米的面积中只能容纳128KB。更进一步的话,目前在CPU缓存中广泛使用16-way的L2SRAM配置方案,容量大概不超过2MB,但如果改用MRAM的话,这个容量将会达到8MB。 ; i. `# C. P& {+ [ 总的来看,MRAM得益于先天的结构优势,在数据密度方面有了比较大的提高。这有助于MRAM未来在CPU、GPU等场合的应用,更大的缓存可以存储更多的数据并显著提高计算效率,降低等待时间。+ _0 P H/ v6 u: R; M6 o 0 E' Y) z4 a4 p p0 H+ f 5 g5 \# D/ e4 C. a 高速度8 R+ h* M$ i6 `4 t. ]1 K2 d. `' a 8 @5 q4 q' }# i0 ^3 {- v 和所有的存储设备发展历程一样,早期的MRAM在完成了结构设计和优化后,所展示出来的速度并没有达到SRAM缓存的级别,甚至差距有一个数量级之多。但是这并不意味着MRAM没有改进的空间,相反它的速度进步空间极大。 |
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