DRAM最佳候补:自旋注入式MRAM步入实用阶段

    在全球展开激烈开发竞争的新型非易失性存储器迎来了实用化阶段。2012年11月，美国Everspin Technologies公司开始样品供货自旋注入式磁化反转（spin transfer torque：STT）方式的MRAM（磁存储器）。

ST-MRAM的裸片照片


       STT方式的MRAM作为取代DRAM的新式存储器备受期待。此次，Everspin公司向特定客户供货了名为“ST-MRAM（Spin-Torque MRAM）”的64Mbit产品（图1）。这是一款具备DDR3接口的DRAM兼容品，用于工业SSD和RAID卡配备的缓存等用途。该公司计划2013年开始量产ST-MRAM，2014年前后将容量扩大至Gbit级。

图1：实现大容量MRAM的核心技术
Everspin公司将ST-MRAM定位为实现MRAM大容量化的核心技术。通过与DRAM兼容推进Gbit级的大容量化，同时推进ST-MRAM与SRAM的兼容。（图由《日经电子》根据Everspin公司的资料制作）


SSD缓存实现非易失性

       在MRAM等新型非易失性存储器的用途中，关注度日益高涨的是SSD等存储设备的的缓存。通过将缓存此前使用的DRAM替换为非易失性存储器，不但能提高对断电的耐性，还可实现高速化和节能。

       断电时，DRAM缓存在将数据转移至NAND闪存期间必须确保电源，因此需要与超级电容器组合使用。而使用非易失性存储器的话则无需超级电容器，可以降低系统成本。

       被视为缓存用新型非易失性存储器最有力候补的就是MRAM。因为MRAM不但工作速度快，对擦写次数也没有实际限制，具备适合缓存用途的特点。2012年5月，巴法络存储器（Buffalo Memory）开始样品供货配备MRAM缓存的工业SSD。预计2013年美国STEC公司也将推迟配备MRAM缓存的SSD。

有望应用于90nm以后的微细化

        MRAM是Everspin公司2006年率先在业界量产的存储器注1）。此前主要用来取代工业设备使用的具备SRAM接口的电池后备式SRAM。而此次开始样品供货的，是有望实现原MRAM难以实现的Gbit级大容量的新方式。

注1） 最初量产时，Everspin还是隶属于美国飞思卡尔半导体公司的一个部门。

       以往的MRAM通过为数据写入线通电，利用其周围产生的磁场使记忆元件的磁化方向反转来擦写数据（图2）。该方式的存储单元面积容易增大，而且存在越是微细化磁化反转所需的电流越大的缺点。因此，难以用于90nm工艺以后的微细化。Everspin公司正在量产的原MRAM的最大容量为16Mbit，技术工艺也停留在了130nm。

图2：存储单元容易实现微细化
ST-MRAM不利用磁场，而是通过流经记忆元件的电流擦写数据。因此，不但容易简化存储单元的构造，记忆元件越微细化，越能削减写入电流。（图由《日经电子》根据Everspin公司的资料制作）


       采用STT方式的ST-MRAM将彻底改变这种情况。因为可以通过流经记忆元件的电流擦写数据。通过经由隧道氧化膜从一侧的电极流向另一侧电极的电子自旋扭矩作用来反转电极的磁化方向。

       由此，无需数据写入线，可以减小存储单元的面积。另外，记忆元件越微细化，磁化反转所需的电流越小。因为磁化反转所需的电流密度是固定的，与元件尺寸无关。

       由于具备这些优点，全球各大存储器厂商纷纷致力于STT方式MRAM的开发，例如东芝宣布了2014年投产的计划。Everspin利用原来量产MRAM的基础，先于各大厂商实现了STT方式的实用化注2）。

注2）不过，此次的ST-MRAM估计记忆元件采用了面内磁化方式。东芝等计划实用化的是技术难度比面内磁化方式高，但易于实现大容量化的垂直磁化方式。估计Everspin最终也会采用垂直磁化方式。

10～20家公司正在评测

       Everspin开始样品供货的ST-MRAM不但将存储容量提高至64Mbit，还在该公司的MRAM产品中首次采用了DDR接口，与DRAM兼容。与DRAM兼容的目的是加速SSD等的采用。以往的SRAM兼容品无法使用支持DRAM接口的市售SSD控制器。例如，巴法络存储器的MRAM缓存SSD通过FPGA安装了控制器。通过实现DRAM兼容，可以解决这些问题。

       ST-MRAM的样品主要供货给SSD和RAID卡厂商，目前全球有10～20家企业正在评测。估计供货对象中就包括巴法络存储器，该公司在2012年11月的展会“Embedded Technology 2012”上，曾介绍过将STMRAM应用于USB 3.0存储器的事例。

       此次样品的具体性能参数尚未公开，据悉“耗电量比原MRAM大幅降低，记忆元件的写入速度也提高数倍”（Everspin公司销售代理商、东电电子器件子公司Panelectron）。在量产阶段计划保持原产品的性能参数，即数据保存时间为20年，对擦写次数无制限。（记者：大下 淳一，《日经电子》）