SST-RAM吹响挑战DRAM号角

      今日主流存储器技术的末日即将来临？一家专精「自旋转移力矩随机存取存储器(spin transfer torque random access memory， STT-RAM)的美国硅谷新创公司 Grandis 日前发表了更新的产品蓝图，并宣示以这种新一代 MRAM 取代 DRAM 甚至 NAND 快闪存储器的雄心。

      不过有分析师指出，已被改变到某个程度的 Grandis 蓝图，意味着新存储器技术可能会花上比预期更久的时间问世。

      总部在加州Milpitas的 Grandis 是一家IP与元件供应商，该公司开发的 STT-RAM 技术号称结合了 DRAM 的成本优势、 SRAM 的快速读写性能以及快闪存储器的非挥发性，能解决第一代磁场交换式 MARM 的主要缺点。

      Grandis 总裁暨执行长Farhad Tabrizi最近在接受EETimes美国版编辑专访时，对其企图心毫不讳言：「我们正专注在将 STT-RAM 推向商业化。」他指出：「 STT-RAM 有庞大的市场潜力成为通用、可扩展的存储器，它能在45奈米节点取代嵌入式 SRAM 以及快闪存储器，在32奈米节点取代DRAM，最终成为NAND的替代品。」

      但市场研究机构Forward Insights的分析师Gregory Wong认为，Grandis的STT-RAM虽是一种具潜力的技术，但该公司是否能达到其目标还有待时间观察：「STT-RAM是否能取代DRAM或NAND是一个经济学问题。」

      多年来，包括铁电存储器(FeRAM)、磁性存储器(MRAM)、相变化存储器与电阻式存储器(RRAM)等各种存储器的开发者，都各自宣称他们的技术最终将成为通用存储器，并取代现有的存储器技术。但大多数新一代存储器都无法准时上市，也无法达到所宣称的效果。再加上现有存储器技术也持续升级，更排除了市场对新一代存储器的需求。

      「诸如FRAM、MRAM与相变化存储器等技术，都有很大的机会取代现有存储器；而唯一所需的就是将成本降到低于现有存储器的水平。这听起来很简单，实际上非常困难，是阻碍这些技术达到临界值量的一大挑战。」Objective-Analysis的分析师Jim Handy表示。

      在这些存储器技术中，MRAM的声势突然高涨；MRAM是一种利用电子自旋的磁性提供非挥发性的存储器，这种技术据说有无限的耐久性。但到目前为止，MRAM被证实很难达到大量生产。

      STT-RAM 算是第二代的磁性随机存取存储器技术，且号称解决了部分传统MRAM架构所遭遇的问题。现今大多数MRAM写入资料的原理，是透过利用一道电流通过邻近穿隧磁阻(tunneling magnetoresistive，TMR)元件之电线所产生的磁场，来改变其磁性；Grandis指出，这种机制的运作速度快，但十分耗电，而该公司则开发出一种完全不同的方法。

      目前打算投入MRAM领域的公司还包括Avalanche、Crocus Technology、Hynix、IBM-TDK、Renesas、Samsung与Toshiba等等，但到目前为止市场上只有一家公司的MRAM产品，即从Freescale Semiconductor独立而出的Everspin Technologies。

      Everspin 最近表示，该公司迄今最高容量的16Mbit MRAM产品已经开始送样，适合工业与嵌入式等领域的资料保存相关应用，可望取代电池供电的SRAM或是相关的离散式解决方案，可能受威胁的厂商包括Cypress、ISSI、Maxim、ST、TI等。

      在Grandis 这厢，该公司计划授权技术，或是生产采用STT-RAM的独立元件。其STT机制是采用自旋极化(spin-polarized)电流来切换磁位元，据说这种方法的耗电量较低，可扩展性也较大；STT-RAM写入资料的原理，是藉由校准通过TMR元件的电子自旋方向。

      在2005年，Renesas取得Grandis 的IP授权着手开发STT-RAM的嵌入式应用；接下来到2008年，Hynix也取得Grandis 的IP授权，准备开发单机式的STT-RAM应用方案。Grandis目前在自家晶圆厂为Hynix试产，并宣布设置了12吋晶圆磁隧道结(MTJ)生产线；根据业界消息，Hynix也在韩国的晶圆厂试产STT-RAM。

      今年Grandis也达成了与美国国防部高等研究计划局(DARPA)合约的第一阶段，包括以低于0.25 pJ 的耗电量示范STT-RAM写入资料，以及5奈秒(nanosecond)的读写速度、高于60 kBT的热稳定性，以及在相同位元上、加总预计耐力达到1,016次读写周期。该公司表示，事实上他们达到的读写速度范围是在1奈秒到20奈秒之间。

      最近Grandis还开发了一款90奈米制程、256kbit的元件；其写入电流高于200 microAmps，读写速度20奈秒，耐久性为1,013次周期。根据该公司的蓝图，今年他们打算推出64-megabit版本的STT-RAM，采用54奈米制程技术、单位尺寸为14F2，期望能取代嵌入式SRAM。

      接下来到2011年，Grandis更希望能发表采用45奈米制程、8F2单元尺寸的1Gbit产品，以取代嵌入式NOR、PSRAM与行动RAM。到了2012年，该公司则希望能完成32奈米制程、6F2单位尺寸的2Gbit与4Gbit产品，以取代现今的DRAM；而届时的DRAM应该已经进展到采用30奈米以下制程。

      再来到2014年，Grandis期望可发表22奈米制程、4F2单元尺寸的4Gbit与8Gbit产品，并在某些特定应用上取代今日的NAND。「我们不预期可在五年内取代NAND；」身为公司执行长，Tabrizi预见STT-RAM将涉足高阶企业应用领域：「终有一天，STT-RAM可能被用以做为能与NAND快闪存储器匹敌的储存级(storage-class)存储器。」

      Grandis指出，在短期之内，STT-RAM能在行动应用中以单晶片取代MCP形式的存储器，是一种具潜力的技术。Forward Insights的Wong则以分析师角度表示，该种存储器在特性上属于非挥发性RAM，与传统MTJ MRAM相较，写入电流低了许多、制程微缩的范围也更大，不过却需要更薄的穿隧阻障层(tunnel barrier)，该种介质的厚度与一致性是关键。

      Wong以Grandis的上一版产品蓝图作为比较，指出该公司的技术发展时程其实稍微有些落后：「我有一份该公司以2007年为起点的旧版蓝图，他们原本要在今年发表45奈米、12F2产品，但却推迟到了2011年。」

      他并指出，Grandis的技术有希望挑战DRAM，但要取代NAND则又是另一回事：「STT-RAM需要至少为缩到6F2单元尺寸，才有机会超越DRAM一个世代；而NAND的挑战性又更高了，因为目前该技术的MLC版本是次6F2单元尺寸、每单位3位元(three-bits-per-cell)。」