日前，晶圓大廠格芯宣佈，其22nm FD-SOI 平臺的嵌入式eMRAM已投入生產。公司也在接洽多家客戶，計劃2020年安排多次生產流片。此次公告是一個重要的行業里程碑，表明eMRAM可在物聯網(IoT)、通用微控制器、汽車、終端人工智能和其他低功耗應用中作為先進工藝節點的高性價比選擇。
圖源：YOLE
而據Yole數據統計顯示，到2024年，eMRAM將增長到12億美元，這得益於一些大型公司的支持。而獨立的MRAM市場預計將比eMRAM市場增長緩慢，到2024年的銷售額約為5.8億美元。後者更將帶動晶圓代工廠涉足這個市場，多年醞釀之後，eMRAM終於要爆發了？
eMRAM確立領先地位
MRAM是Magnetic Random Access Memory的縮寫，中文名稱“磁性隨機存取存儲器”。而eMRAM是指嵌入式磁性隨機存取存儲器，可作為系統級芯片（SoC、MCU 等）產品的片上存儲解決方案。
不同於傳統半導體存儲器如DRAM、SRAM 和 NAND 閃存等利用電子的電荷特性進行數據存儲，eMRAM的技術原理是利用電子的自旋特性實現數據存儲，其核心存儲器件為磁性隧道結 MTJ。
要說eMRAM的發展機會，就不得不先談起嵌入式閃存（eFlash）。
eFlash是一種存儲模塊，用於將信息存儲在系統半導體中，例如微電子單元（MCU）和用於小型電子產品（如IoT設備）的SoC中的信息。專家認為，28nm / 22nm硅光刻節點將是eFlash的最後一個具有成本效益的技術節點，而向22nm幾何尺寸的過渡就必須找到一種新的嵌入式NVM技術，來適用於新型且快速增長的低功耗應用的替代產品。要知道這是由於經濟原因，而不是技術可伸縮性限制。
eflash技術的演進（圖源：ISSCC 2020）
eMRAM時代的到來很大程度上是因為嵌入式NOR閃存需要太多的掩碼（一打或更多）才能在28nm節點或更高的節點上製造，嵌入式NOR閃存也需要高電壓才能寫入數據，而且寫入時間相當長。
與NAND閃存比較的話，eMRAM的單元大小與NAND閃存相當。但是，與NAND閃存不同，它僅需要額外的2或3個掩模層，這使得添加到CMOS裸片變得容易得多。與NAND閃存不同，它沒有耐久性問題。這將是非常重要的，特別是對於那些由於大量寫入活動而導致NAND閃存故障的現場問題的公司而言。
相較於其他新興嵌入式NVM，除了卓越的性能，eMRAM也具備更高的技術成熟度：成熟的磁學物理理論，簡單可控的寫入機制 (無需先擦除再寫入，也無需分步寫入)，單比特出錯率低，業界已經有28納米以下的成品，可展示多個Megabit陣列，高良率，高可靠性，並能夠與先進工藝無縫融合。下圖為不同嵌入式NVM技術比較。
不同嵌入式NVM技術比較（圖源：avalanche-technology）
憑藉其高數據密度、高速度，耐用性，低功耗和非易失性的特點，以及卓越的性能和技術成熟度，嵌入式非易失性存儲器eMRAM成為設計公司在28nm及以下工藝平臺的不二選擇。
eMRAM之於MCU
現在幾乎所有的MCU細分市場現在都使用eFlash解決方案。而eMRAM比eFlash更快，更省電。首先讓我們看下eFlash的幾個重要衡量參數，包括在特定溫度範圍內的持久性和保留率，以及內存模塊在最大系統頻率下需要多少等待狀態(額外的時鐘週期)方面的性能。下表比較了eMRAM與ST Micro (ST)、TI、Microchip、NXP和Freescale等公司基於ARM的SoC中廣泛使用的閃存。
高級嵌入式非易失性內存需求比較（圖源：
avalanche-technology）微控制器單元(MCU)是單個集成電路上的小型計算機，通常包含中央處理單元(CPU)核心、靜態隨機存取存儲器(SRAM)模塊、嵌入式閃存模塊（eFlash）、系統集成模塊和包括定時器、模數轉換器(ADC)、串行通信和聯網的外圍模塊。片上閃存提供的可編程代碼存儲有助於降低生產成本，擴大實時自適應控制應用。
相比eFlash主要用於代碼存儲，eMRAM在MCU中可以同時存儲代碼和數據，從而實現高效的小系統解決方案。eMRAM是一種可伸縮、高性能、節能的嵌入式非易失性技術，可作為MCU內存子系統的一部分，它可以提供非易失性數據存儲需求。而且eMRAM具有非常高的數據持久性和數據保留限制。
對SoC設計者來說，eMRAM為其提供了顯著的性能優勢，包括超快地寫入速度 (<200ns)，極高的擦寫次數 (~10E8 次)，可 在邏輯Vcc供電下運行 (無需Charge PUMP)，功耗低比eFlash低10倍，無bitcell靜態漏電（0 pA vs 50pA for a SRAM bitcell）。
自從三星和Arm在去年6月共同開發eMRAM以來，有關eMRAM的研究一直很活躍。隨著全耗盡式絕緣體上硅（FD-SOI）作為基底技術的廣泛商業化，eMRAM的市場機會進一步湧現。eMRAM與FD-SOI兩者的搭配帶來了同類產品最佳的性能。不同於eFlash是一種前端技術，eMRAM的磁性存儲元件搭建於後端金屬層上，這就利於將其集成邏輯製程，FD-SOI不會對前端晶體管造成影響。
晶圓廠積極擁抱eMRAM技術
過去，人們認為eMRAM無法商用，因為它在製造成本和可靠性方面存在巨大挑戰，具體表現為材料複雜、高溫條件下的數據維持能力低、抗磁力干擾能力差，價格高昂和製造過程複雜。因其技術特點和應用場景與邏輯工藝緊密相關，所以eMRAM技術工藝得到了全球前幾大代工廠商的高度重視。
通過業界的不斷努力，幾大晶圓代工廠已經解決了材料及製造工藝過程複雜的問題，多家主流晶圓設備生產商與晶圓廠採用了更適合eMRAM 技術的澱積和蝕刻裝置，提高了產出，使得生產成本具備了競爭力。
在ISSCC 2020上，臺積電介紹了其32Mb MRAM的進展。臺積電的嵌入式MRAM芯片採用22nm ULL邏輯製程，22nm ULL邏輯平臺提供超高Vt NMOS/PMOS (eHVT)，低功耗待機模式下電流小於55uA，喚醒時間低於100ns，與40nm超低功耗平臺相比，待機功耗降低約3.3倍。其讀寫速度為10ns，讀取功率為0.8 uA/ mhz，可以承受1M循環寫壽命可靠性測試，可將數據在150°C下保持10年。並且有per-SA微調和1T4R參考單元的傳感方案，可以在較寬溫度範圍內運行。
臺積電32Mb MRAM特徵和模型（圖源：ISSCC 2020）
早在2017年5月，臺積電技術長孫元成發表eMRAM和eRRAM（嵌入式電阻式記憶體）技術，分別預定在2018年和2019年進行風險性試產，且將採用22nm製程，其目標就是為了達成更高的效能、更低的電耗以及更小的體積，滿足智慧化與物聯網的全方位運算需求。
今年2月28日，格芯宣佈，其基於其22nm FD-SOI 平臺的嵌入式、磁阻型非易失性存儲器(eMRAM)已投入生產。據悉，新的eMRAM具有非常強的魯棒性，可以將數據保持在-40攝氏度至125攝氏度的溫度範圍內，並且可以承受100,000個週期，因此可以將數據保留長達10年。格芯並未透露將利用其eMRAM的特定產品，但表示正在“與多個客戶合作，並計劃在2020年安排多次生產流片”。
據格芯介紹，他們的eMRAM旨在通過提供性能，可靠性和功耗方面的改進來替代老化的NOR閃存，並且可以定期通過更新或日誌記錄進行重寫。其寫入速度大大提高，主要歸因於技術的本質：基於磁阻原理，對存儲材料的寫入在寫入所需數據之前不需要擦除週期，從而大大提高了寫入速度。宏容量從4-48Mb不等，將作為合作伙伴的嵌入式工具包提供。
格芯的差異化eMRAM部署在業界最先進的FDX平臺上，在易於集成的eMRAM解決方案中提供了高性能RF，低功耗邏輯和集成電源管理的獨特組合，使客戶能夠提供新一代的超高性能，低功耗MCU和連接的IoT應用。
三星大約在一年前開始在28nm平臺上開始批量生產eMRAM。2019年3月，三星推出首款商用eMRAM產品，三星的eMRAM模塊採用三星的28nm FD-SOI工藝技術製成，可以通過添加三個額外的掩膜集成到芯片製造工藝的後端。因此，該模塊不一定依賴於使用的前端製造技術，允許將其插入使用bulk、FinFET或FD-SOI製造工藝生產的芯片中。三星表示，由於其eMRAM在寫入數據之前不需要擦除週期，因此它比eFlash快1000倍。與eFlash相比，它還使用了較低的電壓，因此在寫入過程中消耗的能量大約為1/400。
另外在2019 IEDM上，三星成功演示了採用28nm FDSOI技術的高密度1Gb嵌入STT-MRAM。基於高度可靠且可製造的eMRAM技術，在滿足令人滿意的讀取，寫入功能和10年保留時間的情況下，可以達到90％以上的高良率。並且達到了高達1E10週期的提高的耐久性，從而擴展了eMRAM應用。
英特爾是在2018年12月上旬的國際電子設備會議（IEDM）上首次發表詳細介紹其MRAM研究的新論文。英特爾推出一款整合於其22nm FinFET製程的自旋轉移力矩式記憶(STT-MRAM)，稱其為首款基於FinFET的MRAM技術，並表示該技術目前的生產已經就緒。
除了臺積電，中芯國際和華為海思也開始積極進行佈局，並且取得了快速發展。但總體來看，我國境內地區eMRAM技術領域則相對非常空白，主要為幾家高校和科研機構從事較為分散的自旋電子基礎科研活動。在ISSCC 2020上，國立清華大學介紹了關於STT-MRAM的進展，他們證明22nm 1Mb 1024b-讀和近內存計算雙模式STT-MRAM宏具有42.6GB/s的讀帶寬，適用於安全意識強的移動設備。
在各大晶圓廠的努力之下，eMRAM的商業化發展很快。2018年，Arm發佈了業界首款基於三星Foundry 28FDS工藝技術的嵌入式MRAM (eMRAM)編譯器IP，包括一個位於18FDS (18nm FDSOI工藝)的eMRAM編譯器。這一平臺有助於推動在5G、人工智能(AI)、汽車、物聯網(IoT)和其他細分市場的功耗敏感應用領域的推動新的前沿設計。
2019年12月16日，Mentor宣佈，它將為基於Arm Found的eMRAM（嵌入式磁阻隨機存取存儲器）編譯器IP提供獨特的IC測試解決方案，該解決方案基於三星的28nm FDSOI工藝技術。Mentor的eMRAM測試解決方案利用了Mentor經過行業驗證的Tessent Memory BIST產品，為SRAM和eMRAM提供了一套統一的存儲器測試和修復IP。
結語
雖然採用eMRAM技術的產品不會這麼快出現在市場上，但從這些晶圓大廠的發展走向來看，新一代嵌入式記憶體技術與次世代非揮發性記憶體的組合不僅為舊式記憶體的困境帶來新的發展契機，也為新式記憶體解決方案的發展邁出一大步。
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