作者： Dave Lammers戴夫-拉默斯

经过数十年的发展，嵌入式 STT-MRAM 即将进入市场，取代因功耗、掩模复杂性和位元组缩放问题而在 28 纳米后节点失去动力的嵌入式 NOR 闪存。

我参加过许多次 IEDM 会议，在这些会议上，各公司在逻辑领域展开了正面交锋；例如，英特尔与 IBM 在微处理器逻辑方面的较量。12 月初在旧金山举行的第 64 届国际电子器件会议则以存储器为中心，来自 GLOBALFOUNDRIES 和其他几家公司的工程师在 IEDM 讲台上讨论了他们的嵌入式 MRAM 计划。

数据存储咨询公司Coughlin Associates 总裁汤姆-考富林（Tom Coughlin）引用杰弗里-摩尔（Geoffrey Moore）1991 年出版的一本书中的话说，几乎所有的新技术在问世后，都要经历数年的 "跨越鸿沟"、可靠性验证和客户认可等过程。

"不依赖摩尔定律的扩展解放了整个行业，"Coughlin 说。"我们正在摆脱传统的芯片制造方式，转向芯片组。我们不能再像过去那样使用传统的存储器了。

嵌入式 MRAM 是业界创造力的最佳体现。经过数十年的发展，MRAM 终于作为闪存替代技术进入市场。GF 新加坡公司的 MRAM 设备主管Kangho (Ken) Lee 说，由于与 STT-MRAM 制造合作伙伴Everspin Technologies（美国亚利桑那州钱德勒市）达成了联合开发协议，GF 在 MRAM 领域占据了领先地位，并从中获得了技术和制造经验。

准备就绪

在 12 月初的 IEDM 上，我见到了 Lee 和他的同事、可靠性工程师Lim Jia Hao，并提出了一个问题：MRAM 是否可以取代 NOR eFlash？

"我们一直在为 Everspin 进行生产，这绝对有帮助。我们的嵌入式 MRAM 正准备投入生产。我们正在鉴定我们的工艺，很快就会完成。取代 NOR 闪存是完全可能的。技术上不存在障碍，"Lee 说。

在题为 "面向低功耗汽车级 MCU 应用的 22 纳米 FD-SOI 嵌入式 MRAM 技术 "的 IEDM 演讲中，Lee 详细介绍了为满足汽车市场的严格要求而开展的工作，在汽车市场，嵌入式存储器必须能够承受低至零下 40 摄氏度、高达 150 摄氏度的工作温度。

"我们在本次 IEDM 上讨论的是我们用于汽车级应用的 MRAM。迄今为止，还没有一家公司展示过这一温度范围内的宏观数据，尤其是在 150 摄氏度的条件下。我们展示的是汽车 MRAM 的可行性，这对于未来将 STT-MRAM 作为非易失性存储器平台嵌入式应用非常重要。

特别是，GFeMRAM的误码率 (BER) 达到了亚ppm 级，可靠性极高。"MRAM有很多应用，我们的技术平台可以服务于很多应用。ADAS（高级驾驶辅助系统）可能是一个非常重要的应用。我们面临的挑战之一就是要达到 150 摄氏度的读取裕度。由于其器件特性，MRAM 在较高温度下会失去读取余量，"Lee 说。

通往汽车资质的道路

嵌入式存储器高级总监Martin Mason 表示，GF 正在积极与客户合作，开发在22FDX® 平台上采用嵌入式 MRAM 的新设计。计划在 2019 年推出多条量产带。

物联网和其他以低功耗为中心的设计将首先出现，汽车用 SoC 将在 2020 年出现。Mason 说，GF 现有客户中有 "很大一部分 "正在生产复杂的汽车用微控制器。Mason 表示，让 MRAM 通过汽车认证流程对 GF 和汽车行业未来的产品路线图至关重要。

"没有重大障碍阻碍我们满足汽车客户的要求。我们正在与他们讨论在 2020 年下半年达到要求。我们看到了实现这一目标的路线图和路径，这才是最重要的。我们现在已经有了（eMRAM）宏，并正在与客户合作进行新的设计，以鉴定我们手头的产品。我们相信我们能达到规格要求吗？答案很简单，'是的，只要稍加工程设计'，"Mason 说。

吉姆-汉迪Objective Analysis 公司的内存分析师汉迪说，心脏监视器等消费类设备的温度很少超过人的体温。但发动机或变速器控制器必须在各种高温和低温条件下工作，Handy 说这是为 eMRAM "设定了一个艰难的目标"。但客户需要它；目前还没有超过 28 纳米的 NOR 闪存可供选择。

Handy说："MRAM在前沿节点上可能很有吸引力，它不仅适用于发动机和变速箱控制器等高复杂度MCU，而且可能也适用于娱乐系统，因为娱乐系统并不是一个生死攸关的系统，"他补充说，现代汽车中的100多个MCU中，大多数将继续使用工艺节点稍老的NOR闪存。

节约电动汽车电池电量

Coughlin说，随着以电池为动力的ADAS汽车投放市场，汽车制造商正在寻找功耗低、耐高温的高复杂度MCU。"ADAS Level 4 是目前的目标，这是一个非常复杂的系统。由于这些 MCU 的晶体管数量较多，公司需要将这些设计放在领先技术上，而支持这些设计的 eMRAM 就在眼前，"Coughlin 说，"最大的问题是 MRAM 是新产品，业界没有太多的制造经验，尤其是在高温环境下。

Mason 说，GF 的汽车客户不仅需要带 eMRAM 的 22FDX 来控制发动机和变速箱，还需要它来控制其他暴露在高温下的处理器。在仪表板、ADAS 射频雷达和激光雷达系统或安装在汽车前挡风玻璃或后挡风玻璃上的摄像头中，MCU 都暴露在高温环境中。

不同接口，并排使用

Mason 介绍了 GF 的一项独特功能：将 NOR 闪存替代 eMRAM 宏与另一个具有 SRAM 类型接口的更小 eMRAM 宏放在一个裸片上。这些预制并经过验证的 eMRAM 宏可以放入 22FDX 设计中。目前已推出采用单磁隧道结 (MTJ) 位单元的 32 Mbit 和 16 Mbit 宏，并计划在 2019 年上半年推出采用 4 Mbit 宏的 NOR 闪存型接口。具有类似 SRAM 接口的 2 Mbit 宏采用每个位单元两个 MTJ 来提高读写速度。

闪存型宏程序使用相同的底层 MTJ，但具有不同的感应放大器，闪存型宏程序具有代码存储接口，而 SRAM 型宏程序则位于同一芯片上，作为持久工作类存储器，从而在微控制器内提供了一个完整的系统。

"许多客户在设计中同时使用两种宏。与 22 纳米的 SRAM 相比，使用 MRAM 并不能节省多少密度，但他们告诉我们'这并不重要，重要的是功耗'。在许多便携式应用中，功耗才是关键。Mason 说："客户非常喜欢利用芯片内部的持久性来节省功耗，它能够完全静态，支持断电后快速启动，并保留数据值。

职业生涯初期曾担任存储器设计师的 Handy 说，几十年来，人们一直在不同的（闪存和 SRAM）晶体管中为独立的 ROM 和 SRAM 功能编写代码。"在某些时候，人们会想到把 SRAM 功能放在 MRAM 中，然后人们就会开始改变编写代码的方式。但是，三十年来，人们已经习惯于用同样的方式编写代码，这需要时间来适应，"他说。

Handy 说，如果 MRAM 位元建在间距较小的较低金属层中，那么它的尺寸就会相当小。在这种情况下，MRAM 的位单元面积大约是 SRAM 缓存的一半，从而节省了芯片尺寸。但在较高的金属层中，MRAM 和 SRAM 的尺寸相似。

Mason 表示，GF 正在与许多客户合作，在基于 22FDX® 的设计中使用带有 eMRAM 的多项目晶圆 (MPW)。嵌入式 MRAM 已通过多次（五次）回流焊测试，并显示出更长的数据保留时间和耐用性。与闪存相比，它的读取速度 "非常接近"，而写入速度（200 纳秒比 20 微秒）则快得多（数量级）。

"Mason 说："结合低功耗背偏压 SOI 工艺和射频功能，GF 的 22FDX 平台是一种高度差异化的物联网开发技术。

他说，客户将在其下一代物联网（MCU）设计中评估采用 MRAM 的 GF 22FDX 工艺，以充分利用这些新技术。

"eMRAM很少存在数据保留问题，不像闪存存在很大问题。我们拥有非常广泛的设计中标渠道，设计中标金额超过 2.5 亿美元。我们正准备投产，最终完成我们的鉴定活动。与其他嵌入式 MRAM 解决方案不同的是，我们设计的 MRAM 非常坚固耐用--我们认为这是采用它作为 eFlash 存储器替代品以及从早期采用到主流接受的'跨越鸿沟'的关键所在。

"Coughlin说："MRAM将会出现，但现在它正在跨越鸿沟。当一种新技术出现在市场上时，"通常的情况是，我们会在一些不同的市场上进行尝试，看看它在哪里最有效。现在的 MRAM 就是这样。你要开始增加产量，摊销成本。整个游戏就是提高产量。成本降得越多，就越能得到市场的青睐，"他说。

关于作者

戴夫-拉默斯

Dave Lammers 是 Solid State Technology 的特约撰稿人，也是 GF's Foundry Files 的特约博主。Dave 于 20 世纪 80 年代初在美联社东京分社工作时开始撰写有关半导体行业的文章，当时正值该行业快速发展时期。1985 年，他加入了《电子时报》，在东京工作的 14 年中，他报道了日本、韩国和台湾的情况。1998 年，戴夫和妻子美惠子以及四个孩子搬到奥斯汀，成立了《电子时报》德克萨斯分社。戴夫毕业于圣母大学，并在密苏里大学新闻学院获得新闻学硕士学位。

作者：托马斯-考尔菲德博士托马斯-考尔菲德博士

Thomas Caulfield 博士，GLOBALFOUNDRIES 首席执行官

无论从哪个角度看，2018 年几乎都是动荡的一年，而全球电子产业则是这一动荡的中心。上半年，内存价格飙升和科技股估值推动了令人瞠目的增长，三星巩固了其全球最大芯片制造商的地位，苹果公司的市值也短暂突破了 1 万亿美元。转眼到了下半年，我们又在股价下跌、贸易战迫在眉睫的担忧和 GPU 库存过剩中挣扎。

英伟达公司首席执行官黄仁勋（Jensen Huang）所描述的 "加密宿醉"是一个恰当的比喻：经过一夜的庆祝，我们在昏昏沉沉中醒来--揉揉眼睛，努力理解周围的环境。

为了帮助我们理清头绪，我们需要退一步，纵观全局。当地面感觉不稳定时，往往是地表下地震活动的迹象。物联网、人工智能和 5G 连接等一系列新兴应用将推动我们的行业从移动计算时代向新的增长阶段转变。联网设备的数量将激增至数万亿台，这将推动全球网络数据流量的爆炸式增长。

电子供应链的各个环节都在努力适应即将到来的 "互联智能 "时代所带来的挑战和机遇。系统构建商正在通过开发旨在管理、分析和处理云端和边缘数据的基础设施和设备来进行调整。芯片设计人员正在将重点从通用计算转向特定领域计算，在这种情况下，独特定义的架构可以显著提高机器学习等高度专业化应用的性能并降低功耗。制造商正在适应摩尔定律即将消亡的趋势。近 50 年来，推动整个行业发展的引擎--晶体管扩容已不是什么秘密，它正在耗尽能量。

那么，硅晶圆代工厂该如何适应呢？

摩尔定律的核心是一种经济模式。它是关于以更低的成本提供更强的能力。与所有有用的商业格言一样，它取决于提供价值的能力。在半导体行业，我们训练自己相信，只有通过晶体管升级才能创造价值。但事实上，有许多方法可以实现摩尔定律的净效应，而这些方法并不都需要每年数十亿美元的研发和资本支出。

在以数据为中心的世界里，能效是一项基本指标。每比特消耗的功率必须降到最低，以便在有限的功率包络线内进一步提高数据速率。随着物理学极限的临近，缩小晶体管已不再是降低功耗的最佳方法。在数据中心和边缘向特定领域架构的过渡开辟了新的架构可能性，可以通过新材料、晶体管增强和封装进步在制造层面上支持这些可能性。

在 GLOBALFOUNDRIES，我们一直在改变我们的路线，以适应这个新时代的现实。我已在多个论坛上阐述了我们近期战略变化的理由，因此在此不再赘述。我建议您观看 VLSI Research 的 Dan Hutcheson 的访谈视频，以了解更多情况。虽然我们决定将投资重点从前沿领域转移到其他领域引起了广泛关注，但这一 "转折 "只是公司正在进行的更大转型中的一个环节。

随着我们在 2019 年及以后继续推进这一转型，我们将在研发方面进行大量投资，通过一系列差异化功能来增强我们现有的技术平台。通过在更成熟的节点上增加高压操作等功能，就能从类似商品的工艺转变为真正为客户增值的技术。这并不是什么新鲜事--我们在新加坡的晶圆厂多年来一直以这种方式运营，并因此获得了巨大的利润。我们将在我们的产品组合中复制这种模式，包括我们最先进的技术。我们的开发团队已经证明，通过在我们的 12 纳米平台上结合架构、内存和封装创新，与传统的节点迁移相比，他们可以将功耗提高近一倍。

但是，这些与众不同的功能不会孤立地开发出来。只有与创新型客户合作设计，才能实现真正的价值。我们正在与新型客户建立深入的合作关系，从芯片到系统等多个层面开展合作。Synaptics 就是一个很好的例子。他们采用我们的 22FDX 技术作为其面向物联网市场的下一代语音和多媒体处理产品的唯一平台。我们的团队携手合作，充分利用了 22FDX 的独特功能，例如超低功耗运行和无与伦比的射频性能。您可以从 Synaptics 首席执行官 Rick Bergmann 在今年早些时候举行的 GTC 2018 大会上的主题演讲视频中了解更多信息。

要让 GF 真正发挥作用，我们需要的不仅仅是差异化的产品。客户已经明确表示，他们需要一个具有可持续商业模式的代工合作伙伴，这样他们才能确保他们的技术投资在未来数年内都能产生回报。我们已将新的重点放在财务业绩上，并将在 2019 年及以后继续加快对这一重点的关注。我们决定将投资从前沿领域转移出来，这释放了大量资源，我们将寻找更多方法来改善我们的成本结构。随着我们加倍努力提供最具差异化的产品，预计我们的技术组合将发生更多变化，同时，随着我们寻求优化产能布局，预计我们的晶圆厂足迹也将得到完善。

2019 年 3 月，GF 将迎来成立十周年。在过去十年中，我们的业务和整个行业都发生了很大变化，但有一点是不变的：半导体是全球技术革命的关键组成部分。据一些分析师估计，2018 年半导体行业的产值将超过 5000 亿美元。这个数字虽然令人印象深刻，但却大大低估了我们行业对 2 万亿美元电子生态系统的贡献。在我们努力应对瞬息万变的市场和使能技术的根本性转变时，我们必须共同致力于获取我们创造的更多价值，以继续推动未来的创新。

关于作者

托马斯-考尔菲德博士

托马斯-考尔菲德博士是 GlobalFoundries 的首席执行官。在被任命为首席执行官之前，Tom 担任公司高级副总裁兼位于纽约州萨拉托加县的领先 300 毫米半导体晶圆制造厂（Fab 8）总经理。Caulfield 于 2014 年 5 月加入公司，领导了 Fab 8 的运营、扩张和半导体制造生产的提升。

Caulfield 曾在多家领先技术公司担任工程、管理和全球运营领导职务，工作经历丰富，业绩卓著。最近，Caulfield 在 Soraa 公司担任总裁兼首席运营官（COO），该公司是世界领先的氮化镓氮化镓（GaNTM）固态照明技术开发商。在加入 Soraa 之前，Caulfield 曾担任 Ausra 的总裁兼首席运营官，Ausra 是为发电和工业蒸汽生产提供大规模聚光太阳能解决方案的领先供应商。在此之前，Caulfield 在 Novellus Systems, Inc. 担任销售、营销和客户服务执行副总裁。

在此之前，Caulfield 在 IBM 工作了 17 年，担任过各种高级领导职务，最终担任 IBM 微电子事业部 300mm 半导体运营副总裁，领导位于纽约州 East Fishkill 的先进晶圆制造业务。

作者： Dave Lammers戴夫-拉默斯

面对传统市场的放缓和摩尔定律的缩减，半导体行业正在努力重塑自我，以满足人工智能、自动驾驶汽车、物联网等新市场的需求。

其中最引人入胜的可能是人工智能，其计算模式可能与传统的处理器-内存方法明显不同。"在最近于旧金山举行的国际电子器件会议上，法国研究人员达米安-克利奥兹（Damien Querlioz）发表了题为 "神经形态计算的新兴设备技术 "的演讲，他说："长期以来，模式识别和认知任务（如识别和解释图像、理解口语和自动翻译）都是计算机的薄弱环节。

大约从 2012 年开始，人工智能在训练和推理阶段的进展都在加快，但在使用传统计算架构时，功耗仍然是一个巨大的挑战。法国国家科学研究中心（CNRS）国家实验室的研究员 Querlioz 举了一个很有说服力的例子：2016 年，谷歌的 AlphaGo 与围棋世界冠军李世石下了一盘著名的围棋。Sedol的大脑在比赛中消耗了大约20瓦特，而AlphaGo则需要大约超过25万瓦特来维持CPU和GPU的运转。

尽管此后谷歌和其他公司在功耗方面有所改进，但为神经形态计算开发新的、功耗更低的设备的努力仍在不断加强。

特德-莱塔维奇GlobalFoundries 战略营销高级研究员说，他认为人工智能是分阶段进行的，从改进传统计算技术的方法到功耗更低的全新设备和架构。在这个时间轴上，先进的封装将发挥关键作用。

"Letavic说："人工智能现在正向我们走来，我们可以利用现有技术并增加衍生技术，使用DTCO（设计技术协同优化）将优化细化到位元设计层面。GF 的技术专家正在为 14/12 纳米 FinFET 平台开发降低功耗和提高性能的方法，包括双工作函数 SRAM、更快更低功耗的乘法累加 (MAC) 元件、更高带宽的 SRAM 访问等。基于 FD-SOI 的 FDX 工艺功耗也更低，尤其是在采用反向偏压技术时。Letavic说，有了设计人员工具包中的这些技术，客户可以 "重新设计人工智能固有的元件，其功耗包络线要比直接采用7纳米工艺低得多"。

在改进 DTCO 的同时，世界各地还在研发基于相变存储器 (PCM)、电阻式 RAM (ReRAM)、自旋扭矩转移磁性 RAM (STT-MRAM) 和 FeFET 的嵌入式存储器和内存计算解决方案。Querlioz在IEDM教程会议上说，由Jeff Welser领导的IBM Almaden研究中心开发的基于PCM的芯片已经取得了巨大进展，而基于STT-MRAM和ReRAM的人工智能处理器也显示出巨大的前景。 "Querlioz说："我们现在拥有巨大的潜力，可以为认知型任务和模式识别重新发明电子产品。

Letavic表示，降低功耗（尤其是推理处理）的长期需求正在推动众多初创公司开发新的人工智能解决方案，GF正在与其中几家公司以及长期合作伙伴AMD和IBM密切合作。

"我们只能通过 DTCO 改进冯-诺依曼计算。除了分解逻辑和内存之外，下一步就是转向内存计算和模拟计算，"Letavic 说。此外，35 年来一直为业界提供良好服务的指令集架构（ISA）将需要被新的软件栈和算法所取代。"当我们转向特定域计算时，必须有人重新发明软件。IBM在软件堆栈方面有很好的见解，"他说。

"每个人都必须共同迈向人工智能。代工厂将与领先客户携手并进，我们不能将算法与技术分开。"Letavic 在谈到 STCO（即系统技术共同优化）的这种密切合作时说。"随着我们进入第四个计算时代，STCO 是 DTCO 的自然延伸。当我们转向特定领域计算时，我们将共同实现这一转变。

有助于降低成本的包装

虽然硅技术的进步（包括栅极堆栈中的双工作功能金属、FD-SOI 和 STT-MRAM）将会提高性能，但 Letavic 表示，封装也将发挥同样重要的作用，因为各家公司都在努力将采用最适合每种功能的工艺制造的异质器件连接起来。"我认为，经过 20 年的讨论，2.5D 和 3D 将成为主流。我们将从封装中看到与硅流一样多的差异化，甚至更多。

Tirias Research 首席分析师凯文-克鲁威尔（Kevin Krewell）说，与先进微设备公司（Advanced Micro Devices）的合作将为 GF 带来优势，因为该公司将两个或更多芯片集成到一个封装中。早些时候，AMD 和英特尔将 AMD Radeon 图形处理器和英特尔 CPU 组合在一个封装中。现在，AMD 正在通过使用 AMD 的 Infinity Fabric 互联技术来增强其 Epyc 服务器 CPU 产品线。即将推出的 "Rome "服务器处理器将采用多个 CPU 和高速缓冲存储器芯片内核，将这些 7 纳米部件与 GF 制造的 14 纳米芯片组连接起来，后者提供与 DRAM 和 PCI 总线的 I/O 链接。

克鲁威尔说，通过高速链路连接的芯片将改变多个市场的处理器制造方式，通过划分任务并为每个功能使用最佳工艺，芯片将改变多个市场的处理器制造方式，他指出，英伟达（Nvidia）、英特尔（Intel）和其他公司正在支持芯片到芯片的高速链路。

"在芯片组设计中混合使用多种工艺节点，我希望能看到更多这样的设计。I/O尤其不能很好地扩展到7纳米，即使是7纳米，这些功能也会占用很大的空间。有时，把 I/O 功能放在较老的芯片中是有意义的。从历史上看，PC 芯片组是用 N 减 1 工艺制造的，这是工厂利用率战略的一部分。Krewell 说："把这些功能放在能处理 I/O 的合适工艺节点中，每个晶体管的成本就不会那么高，这样做非常有意义。

Letavic 说，系统公司要求使用各种形式的先进封装进行异质集成，包括内插件、垂直硅通孔 (TSV)、特殊层压板、扇出等。这一战略还将促进光子连接，因为光电子技术可以提供比某些电子连接更高的比特率。

市场研究公司 TECHnalysis 的首席分析师鲍勃-奥唐纳（Bob O'Donnell）说，芯片战略离全行业标准的确定还有一段距离。在此之前，AMD 等公司将利用自己的内部技术把多个芯片连接到 SoC 中。

"到了一定程度，复杂性就会变得不堪重负，然后公司开始寻求再次简化。问题是要在多个供应商之间建立一个肥沃的生态系统，允许包装公司对来自多个公司的不同部件进行包装。这些标准还没有确定下来。

O'Donnell 说，之所以要为每种功能采用最佳技术，主要是因为以 7 纳米工艺设计和制造大型 SoC 的成本较高。

"具有讽刺意味的是，芯片的基本概念是，我们将过去集成的东西拆分开来。过去，业界可以将系统集成到更少的元件中，一直到将几乎所有东西都集成到一个芯片中的 SoC。但现在，速度放缓了，因为从技术角度来看，这实在是太难了。7 纳米的设计成本极高，而从制造角度来看，挑战也非常大。

Letavic 说，先进封装将在 "芯片级和系统级 "带来好处。我们已经在数据中心看到了这一点。它将继续存在，而且规模会越来越大"。

关于作者

戴夫-拉默斯

Dave Lammers 是 Solid State Technology 的特约撰稿人，也是 GF's Foundry Files 的特约博主。Dave 于 20 世纪 80 年代初在美联社东京分社工作时开始撰写有关半导体行业的文章，当时正值该行业快速发展时期。1985 年，他加入了《电子时报》，在东京工作的 14 年中，他报道了日本、韩国和台湾的情况。1998 年，戴夫和妻子美惠子以及四个孩子搬到奥斯汀，成立了《电子时报》德克萨斯分社。戴夫毕业于圣母大学，并在密苏里大学新闻学院获得新闻学硕士学位。