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國(guó)際電子器件大會(huì)（IEDM）是非常重要的行業(yè)盛會(huì)，原因之一在于，它能讓我們了解半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)如何在技術(shù)選擇方面趨向一致，這些技術(shù)可能是氧化鉿柵極氧化層或浸沒式光刻，也可能是本文所討論的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）。
去年12月在舊金山舉行的2019 IEDM大會(huì)上，各家大型晶圓廠以及英特爾都演示了可嵌入在CMOS邏輯器件中的MRAM技術(shù)。可以說，在可靠性和制造經(jīng)驗(yàn)方面，格芯相對(duì)于其他公司具備一定的優(yōu)勢(shì)，但顯然其他公司也在積極布局MRAM技術(shù)。
MRAM的時(shí)代已經(jīng)到來，這在很大程度上是因?yàn)榍度胧絅OR閃存（eFlash）在28nm甚至更小的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行制造所需的掩膜過多（十幾個(gè)甚至更多）。嵌入式NOR閃存還需要高電壓能力來寫入數(shù)據(jù)，而且寫入時(shí)間非常長(zhǎng)。雖然MRAM也面臨著一些挑戰(zhàn)，但與eFlash相比，它的速度更快，功耗更低。
顯著節(jié)省能耗
位于加利福尼亞州洛思加圖斯的Objective Analysis公司的資深存儲(chǔ)器分析師Jim Handy表示：“如果您的應(yīng)用要向NOR閃存寫入大量數(shù)據(jù)，那么您將會(huì)更青睞MRAM。閃存的能耗非常高，因?yàn)樗鼘懭霐?shù)據(jù)的時(shí)間太長(zhǎng)，還需要高電壓。如果遷移到MRAM，將會(huì)顯著節(jié)省能耗。MRAM的寫入能耗降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而讀取能耗大致保持不變。”
Handy指出，開發(fā)微控制器的公司可以選擇：在SRAM上進(jìn)行加載作為工作存儲(chǔ)器，將代碼存儲(chǔ)在外部（分立式）NOR閃存上。或者，他們可以跳過這一步，直接遷移到嵌入式MRAM（eMRAM）。他表示，由于SRAM需要六個(gè)晶體管來存儲(chǔ)一個(gè)位，MRAM通常可將密度提高一倍甚至更多。
另外，在SRAM需要電池備份的系統(tǒng)中，由于嵌入式靜態(tài)RAM（SRAM）的成本包括了芯片和電池，與其相比，非易失性MRAM通常要經(jīng)濟(jì)高效得多。
在2019 IEDM大會(huì)上，有一整場(chǎng)專題討論圍繞eMRAM的話題展開。在展示格芯最新的eMRAM可靠性數(shù)據(jù)之后，常駐新加坡的格芯嵌入式MRAM技術(shù)主管Vinayak Bharat Naik表示，他非常歡迎四家公司同時(shí)推出eMRAM，這幾家公司依次為格芯、英特爾、三星和臺(tái)積電。
Naik表示：“對(duì)于客戶而言，如果他們希望從已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間的傳統(tǒng)技術(shù)遷移到一種新技術(shù)，這個(gè)過程不能太突然。一旦最終客戶開始采用MRAM，他們將對(duì)使用MRAM取代傳統(tǒng)存儲(chǔ)器越來越有信心。”
eMRAM的可靠性和可制造性
過去一年，有多家客戶請(qǐng)求格芯分享更多數(shù)據(jù)，以此展示格芯公司的eMRAM技術(shù)能夠滿足生產(chǎn)的所有可靠性測(cè)試要求，還能耐受可能干擾存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的強(qiáng)外部磁場(chǎng)。
格芯在2019 IEDM大會(huì)上的演示重點(diǎn)解答這些問題，收到了積極的反響。
Naik的IEDM論文展示了eMRAM在格芯的22nm FD-SOI嵌入式平臺(tái)上的可制造性，使用先進(jìn)的磁隧道結(jié)（MTJ）堆疊/蝕刻/集成工藝，在工業(yè)級(jí)工作溫度范圍內(nèi)（-40至125攝氏度）實(shí)現(xiàn)功能完全、單體密度為40Mb的模塊。該論文還展示eMRAM能夠滿足回流焊要求，并且提供穩(wěn)定的產(chǎn)品可靠性，在封裝級(jí)別上的失效率低于1ppm。
抗磁性研究表明，在25攝氏度的溫度下，單體密度為40Mb的eMRAM模塊能夠在待機(jī)模式下耐受1,600奧斯特的極高磁場(chǎng)，在暴露20分鐘的情況下，失效率低于1ppm。在125攝氏度的溫度下，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為700奧斯特時(shí)，失效率仍然低于1ppm。活動(dòng)模式抗磁性 — 存在500奧斯特磁場(chǎng)的情況下，芯片仍然能夠工作。它保持良好的耐久性，在長(zhǎng)達(dá)一百萬個(gè)周期內(nèi)的失效率低于1ppm，在一百萬個(gè)周期之后，電阻分布不會(huì)退化，在高溫下工作500小時(shí)期間，電阻分布也不會(huì)退化。所有結(jié)果都在關(guān)閉模式下進(jìn)行了糾錯(cuò)（ECC）。
Naik說：“磁場(chǎng)可能無處不在。比如，在家里，您手機(jī)的充電器可能產(chǎn)生一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)。我們必須確保在待機(jī)和活動(dòng)模式下均具備良好的抗磁性，這樣芯片才能夠正常工作。”
2018年，在一些重要技術(shù)會(huì)議上（包括IEDM和有關(guān)VLSI技術(shù)的研討會(huì)），格芯展示了其eMRAM能夠耐受芯片封裝中使用的回流焊步驟，這使得他們能夠在封裝回流焊步驟之前對(duì)微控制器（MCU）進(jìn)行編程。260攝氏度下五次回流焊五分鐘的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過了封裝級(jí)測(cè)試的驗(yàn)證。
提高可靠性
在2019 IEDM大會(huì)上，格芯展示了來自所有標(biāo)準(zhǔn)可靠性測(cè)試和抗磁性測(cè)試的eMRAM封裝級(jí)可靠性數(shù)據(jù)，從而證明我們?cè)趀MRAM技術(shù)領(lǐng)域具備競(jìng)爭(zhēng)力。
Naik表示：“在這次IEDM大會(huì)上，我們展示了我們的技術(shù)可以隨時(shí)用于生產(chǎn)，適合各種工業(yè)級(jí)應(yīng)用，包括可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）及其他諸多應(yīng)用。格芯在40nm和28nm MRAM產(chǎn)品方面具有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，這種經(jīng)驗(yàn)一直延伸到eMRAM市場(chǎng)。”
格芯工程師在不斷優(yōu)化磁隧道結(jié)（MTJ）單元，包括沉積和蝕刻。Naik表示：“過去一年中，我們?cè)贛TJ堆疊和蝕刻以及集成工藝方面都有所改進(jìn)，以提升持久性，實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)效率。我們將產(chǎn)品良率提升到90%以上的水平。”
節(jié)省能耗
Tom Coughlin是一位存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)技術(shù)咨詢師，擔(dān)任年度閃存峰會(huì)的主席長(zhǎng)達(dá)10年，他表示eMRAM“為邊緣或端點(diǎn)的嵌入式產(chǎn)品帶來了諸多可能性，特別是那些對(duì)功耗敏感的產(chǎn)品。”
Coughlin認(rèn)為，eMRAM等新興技術(shù)的市場(chǎng)必將迎來一次騰飛。他說：“持久性網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展空間巨大，包括工廠4.0，它將智能設(shè)備與人工智能相結(jié)合，打造更高效的工廠。此外，農(nóng)業(yè)也可能是一個(gè)龐大的市場(chǎng)，更多的農(nóng)場(chǎng)主在農(nóng)田中放置高效的無線智能傳感器。對(duì)于醫(yī)療保健應(yīng)用，則需要更高效地使用電能。很多市場(chǎng)都將推動(dòng)這種需求。另外，還有一些我們尚未想到的用途，包括很多消費(fèi)型應(yīng)用，快速高能效存儲(chǔ)器的新用途才剛剛起步，我們迄今還沒有認(rèn)識(shí)到它們的潛能。”
Naik表示，格芯正在穩(wěn)步推進(jìn)eMRAM的應(yīng)用，首先專注于物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)用途，然后是汽車級(jí)eMRAM — 在此類應(yīng)用中，溫度挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻，自動(dòng)駕駛的數(shù)據(jù)需求離不開高密度的片上存儲(chǔ)器 — 然后才是使用MRAM作為四級(jí)緩存，取代處理器上的部分SRAM。
還有另一個(gè)非常龐大的市場(chǎng)，即計(jì)算存儲(chǔ)一體化（PIM），我們?cè)?019 IEDM大會(huì)上經(jīng)常對(duì)這項(xiàng)技術(shù)展開討論。PIM在人工智能（AI）計(jì)算中使用某種形式的新興存儲(chǔ)器。MRAM或其他存儲(chǔ)器類型，例如阻性RAM或相變RAM，可以充當(dāng)邊緣設(shè)備中的本地處理元件。Naik表示：“考慮到MRAM具備諸多優(yōu)良性能，例如快速寫入、高耐久性、高密度和低功耗，MRAM相比于其他NVM擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在面向人工智能應(yīng)用的PIM計(jì)算方面潛力巨大。”
計(jì)算存儲(chǔ)一體化
Coughlin認(rèn)同PIM技術(shù)具備的潛力。他說：“計(jì)算存儲(chǔ)一體化可以在任何應(yīng)用中發(fā)揮更大作用，而將人工智能應(yīng)用放在其他位置運(yùn)行。我們可以在其他地方進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，而將一些學(xué)習(xí)功能放在設(shè)備上。至少，計(jì)算存儲(chǔ)一體化可以在本地運(yùn)行模型，而不是在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行。”
MRAM還可在數(shù)據(jù)中心扮演更重要的角色。Coughlin表示：“如果系統(tǒng)沒有運(yùn)行任何負(fù)載，MRAM可以保持空閑狀態(tài)，當(dāng)需要數(shù)據(jù)時(shí)，它可以立即投入運(yùn)行。這讓我們能夠擺脫對(duì)易失性存儲(chǔ)器的依賴，而更好地利用非易失性存儲(chǔ)器。MRAM目前在很大程度上是受到了網(wǎng)絡(luò)邊緣的能耗敏感型應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)，但它也可在數(shù)據(jù)中心使用。”
總部位于圣地亞哥的Atlazo Inc.,的首席執(zhí)行官Karim Arabi談到了邊緣設(shè)備即將發(fā)生的變化。他表示，自動(dòng)駕駛只是需要海量數(shù)據(jù)的一種邊緣計(jì)算而已。
先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）需要“靠近傳感器的低延遲計(jì)算”。
Arabi表示：“在數(shù)據(jù)聚合和訓(xùn)練方面，由于計(jì)算功耗和數(shù)據(jù)大小的原因，云計(jì)算更具優(yōu)勢(shì)。但其他應(yīng)用需要更高的功效，就功耗而言，邊緣計(jì)算的成本比通過無線鏈路傳輸至云端的成本要低100至1,000倍。由于隱私性原因，很多數(shù)據(jù)必須保存在本地。”
在典型的馮諾依曼架構(gòu)中，大約75%至95%的電能用于在存儲(chǔ)器和處理器之間移動(dòng)數(shù)據(jù)。Arabi說：“有了MRAM和PC-RAM等新型存儲(chǔ)器架構(gòu)，我們可以使用MRAM來取代一些SRAM，還可將數(shù)據(jù)從片外DRAM移動(dòng)至片上MRAM。無論是MRAM還是PC-RAM，都能夠創(chuàng)建一種新的計(jì)算范式。在未來十年內(nèi)，隨著神經(jīng)形態(tài)計(jì)算日臻成熟，MRAM和PC-RAM將變得更加關(guān)鍵。”
新計(jì)算架構(gòu)
格芯將自己定位為MRAM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，致力于幫助客戶開發(fā)功能豐富的差異化產(chǎn)品，以及推動(dòng)潛在的新計(jì)算架構(gòu)等新技術(shù)發(fā)展。
格芯計(jì)算和無線基礎(chǔ)設(shè)施部首席技術(shù)官兼副總裁Ted Letavic表示：“當(dāng)今社會(huì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，如果你不能處理功率包絡(luò)范圍的數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，那么你就無法從中獲利，甚至無法實(shí)現(xiàn)人工智能。我們必須擁有分析能力，也就是邊緣或數(shù)據(jù)中心計(jì)算能力。”
展望未來，隱私性將促使我們將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到邊緣設(shè)備，MRAM可在其中扮演重要角色。“我們的個(gè)人數(shù)據(jù)可能在任何位置發(fā)布，從網(wǎng)絡(luò)邊緣到數(shù)據(jù)中心。我們希望將這些數(shù)據(jù)移動(dòng)至邊緣，以確保您的數(shù)據(jù)安全，更好地保護(hù)隱私性。”
推動(dòng)邊緣計(jì)算的第二個(gè)因素是帶寬。雖然5G將更多數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，但隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)容量加速增長(zhǎng)，這種方法變得不切實(shí)際。“即便5G甚至6G能夠帶來巨大的前景，但您要傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行計(jì)算的每一位數(shù)據(jù)都會(huì)占用帶寬。我們要達(dá)到的目標(biāo)是，在邊緣擁有足夠的計(jì)算引擎。然后我們可以發(fā)送元數(shù)據(jù)，僅傳輸結(jié)果，而不傳輸原始數(shù)據(jù)。”
Letavic表示，多家重要研究中心正與格芯開展合作，研究邊緣計(jì)算的這些新方法。
“這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單純的芯片解決方案。我們需要真正改變計(jì)算架構(gòu)。在2019 IEDM大會(huì)上的一次采訪中，Letavic表示：“我們并非只討論新的晶體管，以及處理電子和光子的方式，我們討論的是新的架構(gòu)。”
Letavic將新架構(gòu)稱為即將到來的“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的文藝復(fù)興”，MRAM能夠在其中扮演重要角色。
“在30年時(shí)間內(nèi)，我們第一次考慮采用非馮諾依曼架構(gòu)，它將帶來巨大的功耗優(yōu)勢(shì)。我們能夠?qū)崿F(xiàn)比專用架構(gòu)低100倍甚至1,000倍的功耗。”
由于計(jì)算存儲(chǔ)一體化方法具有很高的能效，因此MRAM能夠在這些非馮諾依曼架構(gòu)中扮演中心角色。Letavic表示：“作為器件技術(shù)人員，我們能夠在未來30年內(nèi)不斷改進(jìn)技術(shù)，我們目前仍然沒有達(dá)到滿足我們期望的功耗點(diǎn)。我們必須改變架構(gòu)和軟件堆棧。新的架構(gòu)帶來新的器件類型、平臺(tái)上的新功能以及解決計(jì)算問題的新方法。”（作者：David Lammers，格芯公司）
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