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「半导体行业观察」eMRAM时代终于要来了？( 二 )


「半导体行业观察」eMRAM时代终于要来了？
本文插图
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 。


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