STT-MRAM：系统架构全新的非易失性存储器
发布时间：2014-6-17 10:48
发布者：eechina
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STT-MRAM是指采用了自旋注入磁化反转（spin transfer torque：STT）数据擦写技术的磁存储器（MRAM）。这种存储器具有非易失性、运行速度快、擦写次数无限制等半导体存储器的理想性能。不过，目前还不具备可与现有存储器抗衡的成本竞争力。如果今后能够通过微细化来实现大容量化等，从而提高成本竞争力，就可考虑取代现有存储器。 STT-MRAM备受期待的应用是，通过替代电子设备的主存储器及缓存所使用的DRAM及SRAM，使其具备非易失性，以大幅降低功耗。这种存储器也许会改变“存储器（硬盘及NAND闪存）为非易失性、更高层级的内存（DRAM及SRAM）为易失性”的传统计算机架构。 传统型MRAM方面，美国飞思卡尔半导体（Freescale Semiconductor）已于2006年开始量产，并使其在工业设备上达到实用水平。但这种存储器存在很难通过微细化来实现大容量化的课题。原因是采用了向数据写入线通入电流并利用在其周围产生的磁场来进行数据擦写的方式。这种方式因为越实现微细化，数据擦写所需要的电流就会越大，所以无法缩小提供擦写电流的晶体管的尺寸。这成了实现微细化的瓶颈。 
STT-MRAM的工作原理 而STT-MRAM则利用向名为MTJ（magnetoresistive tunnel junction，磁阻隧道结）的存储元件通入的电流来擦写数据。利用了在电子自旋的力矩作用下使MTJ的磁化方向发生反转的工作原理。这种方式的优势在于微细化程度越高，擦写所需要的电流越小。因此，容易通过微细化来实现大容量化，有望达到Gbit级存储容量。不过，这种存储器也存在需要克服的课题，比如元件的特性偏差会随着微细化程度的提高而增大。 其实，STT-MRAM已经开始实现商用化。飞思卡尔的MRAM部门独立出来后成立的美国Everspin Technologies就已经向市场投放了这种产品。但目前容量只有64Mbit，要扩大市场，需要实现大容量化。 通过让缓存具有非易失性来降低功耗 目前，STT-MRAM正在朝着两大用途推进开发。一个是取代微处理器等混载的缓存。现行缓存使用易失性存储器（SRAM），将其换成非易失性STT-MRAM之后，可以高频率切断电源。这样便可大幅降低功耗。 在2014年6月9日于美国檀香山开幕的国际会议“2014 Symposia on VLSI Technology and Circuits（以下称VLSI Symposia）”上，东芝发布了可实现业界最高性能缓存的STT-MRAM。据该公司介绍，通过将SRAM换成STT-MRAM，可使在处理器功耗中占大半的缓存功耗降低约60％。 在VLSI Symposia上，日本超低电压元器件技术研究联盟（LEAP）也发布了以取代SRAM为目标的STT-MRAM技术。STT-MRAM采用适合进行微细化的构造，但只靠蚀刻技术来实现的话，无法避免因MTJ尺寸不均而造成的特性偏差。于是，LEAP新开发出了能够在不仅仅依靠蚀刻技术的情况下让MTJ实现微细化的工艺技术。 移动设备用处理器领域的霸主——美国高通也在大力开发STT-MRAM技术。该公司在本届VLSI Symposia上发表特邀演讲，介绍了面向处理器混载用途的STT-MRAM技术。 还有望取代DRAM STT-MRAM的另一个开发方向是DRAM的部分替代用途。为了实现这一用途，东芝、韩国三星电子、SK海力士及美国美光科技等大型存储器厂商展开了激烈的开发竞争。 目前东芝正在与SK海力士联合开发用于该用途的STT-MRAM。两公司打算瞄准SSD的缓存所使用的DRAM的替代用途等，于2015～2016年向市场投放Gbit级STT-MRAM。目前还在考虑用其代替移动设备用DRAM。 在本届VLSI Symposia上，三星发布了用来取代DRAM的STT-MRAM技术。该公司公开了可使MTJ微细化至15nm以上的技术。 来源：日经技术在线 |
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