Die Überwindung der Kluft, MRAM-Stil

von: Dave Lammers

Nach jahrzehntelanger Entwicklung kommt eingebettetes STT-MRAM auf den Markt und ersetzt eingebettetes NOR-Flash, das bei den Post-28nm-Knoten aufgrund von Problemen mit dem Stromverbrauch, der Maskenkomplexität und der Bitzellenskalierung nicht mehr zur Verfügung steht.

Ich habe an vielen IEDM-Konferenzen teilgenommen, auf denen sich die Unternehmen im Bereich der Logik gegenüberstanden, z. B. Intel gegen IBM im Bereich der Mikroprozessorlogik. International Electron Devices Meeting, das Anfang Dezember in San Francisco stattfand, stand ganz im Zeichen des Speichers. Ingenieure von GLOBALFOUNDRIES und mehreren anderen Unternehmen diskutierten auf den IEDM-Podien ihre eingebetteten MRAM-Programme.

So gut wie alle neuen Technologien werden vorgestellt und müssen dann jahrelang "die Kluft überwinden", ihre Zuverlässigkeit unter Beweis stellen und die Akzeptanz der Kunden gewinnen, so Tom Coughlin, Präsident des Beratungsunternehmens für Datenspeicherung Coughlin Associates, unter Bezugnahme auf das Buch von Geoffrey Moore aus dem Jahr 1991.

"Die Abkehr von der Skalierung nach dem Mooreschen Gesetz hat die Industrie befreit", sagte Coughlin. "Wir entfernen uns von der traditionellen Art und Weise, wie wir Chips bauen, und wenden uns den Chiplets zu. Und wir können die traditionellen Speicher nicht mehr so ankurbeln, wie wir es früher getan haben.

Eingebetteter MRAM ist ein Paradebeispiel für die Kreativität der Branche. Nach jahrzehntelanger Entwicklung kommt MRAM nun endlich als Flash-Ersatztechnologie auf den Markt. Laut Kangho (Ken) Lee, dem Leiter der MRAM-Abteilung bei GF Singapur, ist GF im Bereich MRAM führend, was auf die Technologie- und Fertigungserfahrung zurückzuführen ist, die im Rahmen einer gemeinsamen Entwicklungsvereinbarung mit dem STT-MRAM-Herstellungspartner Everspin Technologies (Chandler, Arizona) gewonnen wurde.

Bereit für den Einsatz

Auf der IEDM Anfang Dezember traf ich mich mit Lee und seinem Kollegen, dem Zuverlässigkeitsingenieur Lim Jia Hao, und fragte sie: Ist MRAM bereit für den Ersatz von NOR eFlash?

"Wir haben die Produktion für Everspin übernommen, und das ist absolut hilfreich. Unser eingebetteter MRAM ist bereit für die Produktion. Wir sind gerade dabei, unseren Prozess zu qualifizieren, und das wird bald geschehen. Der Ersatz von NOR-Flash ist durchaus möglich. Technologisch gibt es kein Hindernis", sagte Lee.

In seiner IEDM-Präsentation mit dem Titel "22-nm FD-SOI Embedded MRAM Technology for Low-Power Automotive-Grade-1 MCU Applications" (22-nm-FD-SOI-Embedded-MRAM-Technologie für Low-Power-Automotive-Grade-1-MCU-Anwendungen) ging Lee ausführlich auf die Arbeit ein, die geleistet wird, um die strengen Anforderungen des Automobilmarktes zu erfüllen, wo ein Embedded-Speicher in der Lage sein muss, Betriebstemperaturen von bis zu minus 40 Grad Celsius und bis zu 150 Grad Celsius zu widerstehen.

"Wir sprechen auf dieser IEDM über unseren MRAM für Anwendungen in der Automobilindustrie. Bislang hat kein Unternehmen Daten auf Makroebene in diesem Temperaturbereich gezeigt, insbesondere bei 150 Grad C. Wir zeigen die Machbarkeit eines MRAMs für die Automobilindustrie, und das ist sehr wichtig, um eingebettetes STT-MRAM als nichtflüchtige Speicherplattform in der Zukunft zu ermöglichen", sagte Lee.

Insbesondere der GF eMRAM zeigte eine Bitfehlerrate (BER) von unter einem ppm und eine hervorragende Zuverlässigkeit. "Es gibt viele MRAM-Anwendungen, und wir haben eine Technologieplattform, die für viele Anwendungen geeignet ist. ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems) könnte ein sehr wichtiges Thema sein. Eine der Herausforderungen besteht darin, die Lesespanne von 150 Grad Celsius zu erreichen. MRAM verliert aufgrund seiner Bauteileigenschaften bei höheren Temperaturen an Lesesicherheit", sagte Lee.

Ein Weg zur Automobilqualifikation

LautMartin Mason, Senior Director of Embedded Memory, arbeitet GF aktiv mit Kunden zusammen und entwickelt neue Designs mit eingebettetem MRAM auf der 22FDX®-Plattform. Für 2019 sind mehrere Bandproduktionen geplant.

Das IoT und andere stromsparende Designs werden an erster Stelle stehen, gefolgt von SoCs für den Automobilbereich im Jahr 2020. Mason sagte, dass "ein signifikanter Anteil" der bestehenden Kunden von GF komplexe Mikrocontroller für die Automobilbranche herstellt. Laut Mason ist es für GF und die Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung, dass MRAM den Qualifizierungsprozess für die Automobilbranche durchläuft, damit sie ihre zukünftigen Produktpläne umsetzen können.

"Es gibt keine größeren Hindernisse, die uns davon abhalten, die Anforderungen unserer Automobilkunden zu erfüllen. Wir sprechen mit ihnen darüber, in der zweiten Hälfte des Jahres 2020 qualifiziert zu sein. Wir sehen einen Fahrplan und einen Weg dorthin, und das ist das Wichtigste. Wir haben jetzt die (eMRAM-)Makros und arbeiten mit den Kunden an neuen Designs, um das, was wir zur Verfügung haben, zu charakterisieren. Glauben wir, dass wir die Spezifikationen erfüllen können? Die einfache Antwort lautet 'ja, mit ein wenig Technik'", so Mason.

Jim Handy, ein Speicheranalytiker bei Objective Analysis, sagte, dass Verbrauchergeräte, wie z. B. ein Herzmonitor, selten die Körpertemperatur eines Menschen überschreiten. Aber ein Motor oder ein Getriebesteuergerät muss bei allen möglichen Temperaturen arbeiten, sowohl bei hohen als auch bei niedrigen, was laut Handy ein "hartes Ziel" für eMRAM darstellt. Aber die Kunden brauchen es; es gibt keine NOR-Flash-Alternative jenseits von 28 Nanometern.

"MRAM kann bei Spitzenknoten attraktiv sein, nicht nur für die hochkomplexen MCUs wie die Motor- und Getriebesteuerungen, sondern vielleicht auch für das Unterhaltungssystem, bei dem es nicht um Leben und Tod geht", sagte Handy und fügte hinzu, dass die meisten der mehr als 100 MCUs in einem modernen Auto weiterhin NOR-Flash auf etwas älteren Prozessknoten verwenden werden.

Sparen von EV-Batterieenergie

Coughlin sagte, dass mit der Markteinführung von ADAS-fähigen, batteriebetriebenen Fahrzeugen die Automobilhersteller nach hochkomplexen MCUs suchen, die nicht viel Strom verbrauchen und hohen Temperaturen standhalten können. "ADAS Level 4 wird jetzt angestrebt, und das ist ein sehr komplexes System. Bei den hohen Transistorzahlen dieser MCUs müssen die Unternehmen diese Designs auf eine Spitzentechnologie stützen, und das eMRAM, das dies unterstützt, steht unmittelbar vor der Tür", sagte Coughlin und fügte hinzu, dass "das größte Problem darin besteht, dass MRAM neu ist und die Industrie noch nicht so viel Erfahrung mit seiner Herstellung hat, insbesondere bei höheren Temperaturen."

Laut Mason benötigen die Automobilkunden von GF den 22FDX mit eMRAM nicht nur für die Motor- und Getriebesteuerung, sondern auch für andere Prozessoren, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. MCUs, die im Armaturenbrett, in ADAS-RF-Radar- und LIDAR-Systemen oder in Kameras, die an der Front- oder Heckscheibe des Fahrzeugs montiert sind, Hitze ausgesetzt sind - all diese Komponenten sind anspruchsvollen thermischen Bedingungen ausgesetzt.

Verschiedene Schnittstellen, Seite an Seite

Mason beschrieb eine einzigartige Fähigkeit von GF: ein NOR-Flash-Ersatz-eMRAM-Makro auf einem Die mit einem anderen, kleineren eMRAM-Makro mit einer SRAM-artigen Schnittstelle. Diese vorgefertigten und verifizierten eMRAM-Makros können in 22FDX-Designs eingesetzt werden. Es gibt jetzt 32- und 16-Mbit-Makros mit einer einzigen MTJ-Bitzelle (magnetic tunnel junction), und eine NOR-Flash-Schnittstelle mit einem 4-Mbit-Makro ist für das erste Halbjahr 2019 geplant. Das 2-Mbit-Makro mit einer SRAM-ähnlichen Schnittstelle verwendet zwei MTJs für jede Bitzelle, um die Lese- und Schreibgeschwindigkeiten zu verbessern.

Das Flash-Makro verfügt über eine Schnittstelle für die Codespeicherung, während das SRAM-Makro auf demselben Chip als dauerhafter Arbeitsspeicher fungiert und somit ein komplettes System innerhalb eines Mikrocontrollers darstellt.

"Eine Reihe von Kunden verwenden beide Makros in ihren Designs. Die Verwendung von MRAM bringt keine großen Dichteeinsparungen im Vergleich zu SRAM bei 22 nm, aber sie sagten uns: "Das spielt keine Rolle, es geht wirklich um den Stromverbrauch. Bei vielen dieser tragbaren Anwendungen ist der Stromverbrauch der entscheidende Faktor. Die Kunden lieben es, die Persistenz für die Energieeinsparungen innerhalb des Chips auszunutzen, indem sie die Fähigkeit haben, vollständig statisch zu sein, ein schnelles Hochfahren nach dem Ausschalten zu unterstützen und die Datenwerte zu erhalten", sagte Mason.

Handy, der zu Beginn seiner Karriere als Speicherentwickler tätig war, sagte, dass die Menschen seit mehreren Jahrzehnten Code für getrennte ROM- und SRAM-Funktionen in sehr unterschiedlichen (Flash- und SRAM-)Transistoren geschrieben haben. "Irgendwann werden die Leute auf die brillante Idee kommen, die SRAM-Funktion in den MRAM zu integrieren, und dann werden sie anfangen, ihren Code anders zu schreiben. Aber die Leute haben sich daran gewöhnt, ihren Code drei Jahrzehnte lang auf die gleiche Weise zu schreiben, und es wird dauern, bis sie sich daran gewöhnen", sagte er.

Laut Handy ist die MRAM-Bitzelle recht klein, wenn sie in den unteren Metallschichten mit kleineren Abständen eingebaut wird. Dort kann MRAM im Vergleich zu einem SRAM-Cache etwa die Hälfte der Fläche der Bitzelle einnehmen, was zu Einsparungen bei der Chipgröße führt. In den höheren Metallschichten sind die Größen von MRAM und SRAM jedoch ähnlich.

Laut Mason arbeitet GF mit vielen Kunden zusammen, die Multi-Project-Wafer (MPWs) mit eMRAM auf 22FDX®-basierten Designs einsetzen. Eingebettetes MRAM hat mehrere (fünfmal) Löt-Reflow-Tests bestanden und weist eine erweiterte Datenspeicherung und Ausdauer auf. Es hat eine sehr vergleichbare" Lesegeschwindigkeit und eine viel schnellere (Größenordnung) Schreibgeschwindigkeit (200 Nanosekunden im Vergleich zu 20 Mikrosekunden) als Flash.

"In Kombination mit dem stromsparenden Back-Biased-SOI-Prozess und den RF-Fähigkeiten stellt die 22FDX-Plattform von GF eine hochdifferenzierte IoT-Entwicklungstechnologie dar", sagte Mason und fügte hinzu: "In der Branche findet derzeit ein entscheidender Wechsel zu neuen NVM-Speichern und Silizium-auf-Isolator-Technologien statt."

Kunden werden den 22FDX-Prozess von GF mit MRAM für ihre IoT-Designs der nächsten Generation (MCUs) evaluieren, um die Vorteile dieser neuen Technologien zu nutzen, sagte er.

"Bei eMRAM gibt es nur wenige Probleme mit der Datenspeicherung, im Gegensatz zu Flash, das hier große Probleme hat. Wir haben eine sehr umfangreiche Pipeline mit Design-Wins im Wert von über 250 Millionen Dollar. Wir bereiten uns auf die Produktion vor und schließen unsere Qualifizierungsaktivitäten ab. Im Gegensatz zu anderen eingebetteten MRAM-Lösungen haben wir ihn so konzipiert, dass er robust ist - wir glauben, dass dies der Schlüssel für die Akzeptanz als Ersatz für eFlash-Speicher und für die Überwindung der Kluft" von der frühen Akzeptanz zur Mainstream-Akzeptanz ist.

"MRAM wird sich durchsetzen, aber im Moment überquert es noch die Kluft", sagte Coughlin. Wenn eine neue Technologie auf den Markt kommt, "probieren wir in der Regel eine Reihe verschiedener Märkte aus, um zu sehen, wo sie am besten funktioniert. Genau das passiert jetzt mit MRAM. Man fängt an, sein Volumen zu vergrößern und die Kosten zu amortisieren. Das ganze Spiel besteht darin, das Volumen zu erhöhen. Je mehr die Kosten sinken, desto positiver wird es gesehen", sagte er.