三星eMRAM即将量产，嵌入式存储迈入新时代

日前，三星电子又宣布，已经全球第一家商业化规模量产eMRAM(嵌入式磁阻内存)，而且用的是看上去有点“老旧”的28nm FD-SOI(全耗尽型绝缘层上硅)成熟工艺，可广泛应用于MCU微控制器、IoT物联网、AI人工智能领域。

三星指出，基于放电存储操作的eFlash(嵌入式闪存)已经越来越难以进步，SLC、MLC、TLC、QLC、OLC一路走下来，密度越来越高，但是寿命越来越短，主控和算法不得不进行越来越复杂的补偿。

eMRAM则是极佳的替代者，因为它是基于磁阻的存储，扩展性非常好，在非易失性、随机访问、寿命耐久性等方面也远胜传统RAM。

使用28nm工艺量产成功，则进一步证明三星已经克服了eMRAM量产的技术难题，工艺上更不是问题。

三星表示，28nm FD-SOI工艺的eMRAM可以带来前所未有的能耗、速度优势。由于不需要在写入数据前进行擦除循环，eMRAM的写入速度可以达到eFlash的大约一千倍，而且电压、功耗低得多，待机状态下完全不会耗电，因此能效极高。

另外，eMRAM可以轻易嵌入工艺后端，只需增加少数几个层即可，因此对于前端工艺要求非常低，可以轻易地使用现有工艺生产线进行制造，包括Bulk、Fin、FD-SOI晶体管。

三星还计划今年内流片1Gb(128MB)容量的eMRAM芯片。

英特尔已经为eMRAM大批量生做好准备

在三星之前，英特尔于今年二月也宣布了在eMARM上的进展。

根据techpowerup的报道，EETimes上不久前发布了一份报告，该报告显示英特尔自己的商用MRAM（磁阻随机存取存储器）已经准备好大批量生产。MRAM主要利用磁致电阻的变化来表示二进制的0和1，从而实现数据的存储，是一种非易失性存储技术，这意味着即使断电情况下，它仍然会保留住信息，同时它还有不输于DRAM的容量密度及使用寿命，平均能耗也远低于DRAM。

由于不管是DRAM内存还是NAND闪存，制程微缩已遭遇瓶颈，相对地，MRAM未来制程微缩仍有许多发展空间，MRAM因此备受期待，认为可以取代DRAM内存和NAND闪存。

周二提交这篇论文的英特尔工程师Ligiong Wei说，英特尔嵌入式MRAM技术可在200摄氏度下实现长达10 年的记忆期，并可在超过100万个开关周期内实现持久性。

MRAM省电的特性，意味着英特尔嵌入式MRAM将很有可能先用于移动设备上。并且嵌入式 MRAM 被认为特别适用于例如物联网 (IoT) 设备之类的应用，也赶搭上 5G 世代的列车。

嵌入式存储的救星？

嵌入式存储是逻辑制程中不可或缺的一环，过去却往往让人忽略。但是逻辑制程推进日益艰辛，嵌入式存储制程推进的难处全浮上台面。主要是存储与主要的CMOS制程差距甚大，而单独(stand alone)的存储与嵌入式存储的制程又不尽相同，无可借力，因此发展额外吃力。

但是正因为嵌入式存储发展迟缓，它在芯片上面积的占比越来越高，引起注意。先是eFlash，eFlash当然是NOR Flash，是微处理器、微控制器中通常用来储存程式码的地方。到了40nm/28nm，有些应用中eFlash面积可能占芯片面积的30%，快要反客为主了。而20nm以下，eFlash的微缩更加困难－事实上，独立的NOR Flash现在最先进制程也不过45nm。兼之制程复杂，eFlash制程要于原本逻辑制程上外加9~12道光罩，写入速度缓慢，又不耐久，需要替代工艺。

大部分代工厂在28nm这一技术节点，普遍都提出eMRAM此一菜单。eMRAM的制程和MRAM相似，加在逻辑制程中只需额外3道光罩，面积大概在50平方特征尺寸(feature size)，速度快又耐用，资料存留10年，替代的理所当然。

有趣的是这些即将要量产eMRAM的代工大厂中，其MRAM技术或多或少是购并或授权而来的。

先是三星电子(Samsung Electronics)在2011年购并了Grandis－一家发明STT MRAM的公司，值得注意的是三星让它先加入存储部门的运作，最早的想法是让MRAM成为DRAM的替代品。在当时的技术条件下，这是近乎不可能完成的任务。

eDRAM在40nm以下原来已被放弃，但在「全空乏绝缘上覆矽」(Fully Depleted Silicon On Insulator；FD-SOI)技术出来后似有复起之势，用来替代逻辑线路中部分的SRAM，降低面积和功耗。但是独立DRAM制程推进已十分吃力，至十几nm已经非常艰困，而它的电容器因底面积缩小必须堆高以维持一定电容，这个与周遭的逻辑制程格格不入，MRAM此时又出来救援。

MRAM的刻板印象是永久存储，但是若愿意降低其资料存留时间，则其写入时间可以加快、写入电流降低，这就活生像DRAM了。事实上，在eMRAM的写入速度降到如DRAM的10ns时，其资料存留时间还有将近1天，也就是说eMRAM不必像DRAM时时需要资料更新(refresh)，因此同时节省大量更新电流所造成的功耗。5~7nm的世代，以eMRAM来做为中央处理器的L3高速缓存(cache)已经近乎定案。

SRAM的问题最棘手。目前有些SoC中的SRAM已占芯片面积50%以上，而且情况持续恶化之中。16nm FINFET制程中SRAM的单元面积约为275平方特征尺寸，预计到3nm时单元面积成长至约为675平方特征尺寸，在芯片面积中的占比会更高。这里面有一部分的问题因为以eMRAM来做为L3高速缓存得到缓解，但是eMRAM的写入速度能不能再高？写入电流能不能再降？这是eMRAM能不能迈向取代L2高速缓存的关键。这个问题，我持审慎乐观的态度。

MRAM从1995年进入研发领域的雷达，现在于嵌入式存储算是建立桥头堡了。

对产业造成的可能影响

值得注意的是，这些即将要量产，或者已经eMRAM的代工大厂中，其MRAM技术或多或少是购并或授权而来的。

先是三星电子(Samsung Electronics)在2011年购并了Grandis－一家发明STT MRAM的公司，值得注意的是三星让它先加入存储部门的运作，最早的想法是让MRAM成为DRAM的替代品。在当时的技术条件下，这是近乎不可能完成的任务。

台积电与高通(Qualcomm)的MRAM合作起始甚早，在2009年就发表45nm的嵌入式制程。中间断断续续的做了几年，在2016年与TDK Headway合作后再重新拾起研发动量。GlobalFoundries也是在2016年与Everspin合作后，加入eMRAM研发的行列。后续的相同模式还有联电与Avalanche和力晶与IBM。

这里面除了IBM之外，掌握MRAM技术的公司都是新创的小公司。就连已有产品在市场销售多年的Everspin，最近的季报才接近损益两平，其市值有人估算在2.5亿美元左右，都是不折不扣的小公司。

MRAM并不是最近才有的技术。我有个朋友从事此领域研发已有23年，并且早在2010年就出过书，我10余年前也曾经在DIGITIMES介绍过MRAM。到现在为止，eMRAM制程已成为逻辑代工不可或缺的先进制程技术，甚至于在stand-alone存储领域，由于DRAM制程在1y以后进展举步维艰、MRAM的写入电流大幅降低，MRAM进入纯存储领域再也不是遥不可及。

在这样重要的领域，为什么半导体产业没有及早投入呢？自然，合并与收购也是大企业快速取得技术、产品和市场的手段，制药领域就有很多知名的例子。但是与制药产业不同的是半导体并没有很多的新产品、或新技术多到无法涵盖。以存储而言，再早10年新存储的候选技术也只是MRAM、PCRAM和ReRAM等几种。核心技术由内部发展和由外部收购、授权在量产时程上和融入的程度会有很大的差异。

会出现这种尴尬状况的理由可能是半导体业界，尤其是已于其中浸润数十年的管理层人员，已经太习惯于摩尔定律的线性演进思维。摩尔定律有既定的演进方向以及必然带来的经济效益－每代每个晶粒成本大约下降30%，以及一定会买单的顾客和市场。除了在这个既定的航程上精益求精之外，对于新兴的材料、元件和技术，通常感觉是持疑。我最常听到的话是「我们是不见兔子不撒鹰」。

可是摩尔定律开始放缓，除了3D制程可能还有类似摩尔定律的节奏外，其他的半导体经济增值方式变得很多元。而且从科学转为科技的速度来的又快又急，跟MRAM技术相关的诺贝尔奖2007才颁发，11年后就商业量产。见了免子再撒鹰，怕是来不及了！怎样改变研发策略、整顿研发结构、重新分配研发资源恐怕已经是刻不容缓的事。