Dezember 6, 2016 Von Dave Lammers Nun, da der magnetoresistive Direktzugriffsspeicher (MRAM) nach mehr als zwei Jahrzehnten Entwicklungsarbeit den Punkt erreicht hat, an dem er in größerem Umfang eingesetzt werden kann, stellt sich die Frage: Wie werden die Entwickler ihn einsetzen? Wie wird MRAM in den vernetzten Systemen in den Bereichen Mobilfunk, Automobil und IoT zum Tragen kommen? Der MRAM-Pionier Everspin Technologies (Chandler, Ariz.) hat in den letzten zwei Jahren diskrete MRAMs von GF ausgeliefert, vor allem für den Markt der Cache-Pufferung, so der Analyst Tom Coughlin. Mit Geschwindigkeiten, die mit denen von DRAMs konkurrieren können, und einer im Grunde unbegrenzten Datenspeicherung ist MRAM laut Coughlin "der beste Kandidat, um bestehende nichtflüchtige Speicher in Computerarchitekturen zu ersetzen." Mobile Geräte und andere Systeme verfügen oft über große Mengen an SRAM, so Coughlin, und müssen Zeit und Energie aufwenden, um den Speicherzustand zu erhalten, wenn der Strom abgeschaltet wird oder ein System sich aufhängt. Da MRAM praktisch ohne zusätzlichen Stromverbrauch ein- und ausgeschaltet werden kann, können die Systementwickler viel mehr Stromsparmaßnahmen durchführen und den Strom abschalten, um die Batterie zu schonen. Es entstehen keine Energieverluste, wenn ein normalerweise ausgeschaltetes System wieder zum Leben erwacht. "Für mobile Geräte ermöglicht MRAM viel mehr Stromsparmodi, was batteriebetriebenen Systemen helfen kann", so Coughlin. Die stromsparenden Fähigkeiten von MRAM sind etwas überraschend, denn früher wurde MRAM vorgeworfen, dass es sehr viel Strom verbraucht. In den letzten 25 Jahren hat sich die Technologie von einem thermisch unterstützten Sandwich-Layer-MRAM zu einer pMTJ ST-MRAM-Architektur (perpendicular magnetic tunnel junction, spin-transfer) entwickelt. Zurück zur Frage: Wo passt MRAM hin? Denken Sie zunächst daran, wie schnell sich die Elektronikindustrie verändert und wo die Chancen liegen. Neue Produktkategorien wie Augmented-Reality-Systeme, selbstfahrende Fahrzeuge, Drohnen und eine ganze Reihe von IoT-Technologien stehen unmittelbar vor der Tür. Dave Eggleston, der Vizepräsident für eingebettete Speicher bei GLOBALFOUNDRIES, weist darauf hin, dass die meisten dieser neuen Systeme von einer schnellen visuellen Bildverarbeitung abhängen. Ein Auto muss Bilddaten in Echtzeit verarbeiten, um einen Unfall zu vermeiden, was visuelle Bildprozessoren und schnelle Speicher erfordert. "Eine Drohne ist ein großartiges Beispiel dafür, dass ein geringeres Gewicht erforderlich ist und energieeffizientere Schaltkreise zu längeren Flugzeiten führen. Wie navigiert eine Drohne? Sie zieht 3D-Karten ein. Sie verfügt über ein eigenes Bildverarbeitungssystem mit gespeicherten Informationen über die Topografie, um Echtzeitinformationen zu erhalten", so Eggleston. Mit MRAM ist es möglich, einige beeindruckende Eigenschaften zu erzielen: 1000-mal höhere Ausdauer und 1000-mal schnellere Schreibgeschwindigkeiten als eFlash; dichter und vielseitiger als SRAM, und die Fähigkeit, sich in einen CMOS-Logikprozess zu integrieren, ohne die Logiktransistoren zu stören. Außerdem ist eingebettetes MRAM (eMRAM) eine Technologie mit geringer Maskenzahl, die nur vier zusätzliche Maskenschichten erfordert, während für eFlash bei fortgeschrittenen Knotenpunkten ein Dutzend oder mehr erforderlich sind. Eggleston konnte sich anfangs nicht vorstellen, dass MRAM sofort für eingebettete Anwendungen geeignet sein würde. "Ich bin mir nicht sicher, ob ich Ihnen das vor zehn Jahren gesagt hätte. Aber da die magnetischen Verbindungen im hinteren Teil der Fertigungslinie hergestellt werden und sich leichter in einen Logikprozess integrieren lassen, machen die eingebetteten Anwendungen Sinn", sagte er. MRAM als Arbeitsspeicher Die Vorstellung, dass eMRAM einfach nur etwas anderes ersetzt, ist wahrscheinlich nicht die beste Art, darüber nachzudenken, insbesondere bei den fortschrittlichen SoCs, die für aufstrebende Märkte benötigt werden. Es eröffnet neue Möglichkeiten bei den Arbeitsspeichern für mobile, IoT-, Automobil- und andere vernetzte Anwendungen, so Eggleston. Bei einem komplexen Chip mit beispielsweise vier Grafikverarbeitungseinheiten und einer visuellen Verarbeitungseinheit könnte ein MRAM-Modul den Code und ein anderer Block eMRAM die Daten speichern. "Durch die Speicherung von Daten in einem nichtflüchtigen Medium wird man SRAM nicht los, weil eMRAM nicht so schnell ist, aber man kann die Menge an SRAM verringern und eMRAM als SRAM-ähnlichen Speicher verwenden. Das macht das Design kosteneffektiv, weil eMRAM dichter ist als SRAM. Man erhält mehr Daten für eine kleinere Chipgröße", so Eggleston. Software- und SoC-Designer werden neue Fähigkeiten erlernen, indem sie die "Persistenz"-Eigenschaften (Datenerhaltung) von eMRAM nutzen. Die Kosten- und Leistungsvorteile von eMRAM sind laut Eggleston die Voraussetzungen dafür, dass eMRAM zu einer glaubwürdigen Alternative zu eFlash wird. Aber erst die neuen Möglichkeiten, die eMRAM bietet, werden die Systementwickler zu der Frage verleiten: "Wie kann ich es in meiner Chip-Architektur einsetzen? Coughlin, der früher im Technologiemanagement mehrerer Festplattenunternehmen tätig war, sagte, MRAM habe "definitiv eine Nische, in der es einige DRAM- und SRAM-Speicher ersetzen kann. Es könnte NOR ersetzen. Was wir sehen, ist fast eine kambrische Explosion im Speicherbereich, bei der NAND-Flash weiterhin für Massenspeicher verwendet wird, während wir eine andere Speicherebene sehen, bei der MRAM oder der Intel-Micron-Phasenwechsel-Speicher in einigen Anwendungen eingesetzt wird." Da neue Anwendungen eine höhere Leistung erfordern und IoT-Systeme viel mehr Daten generieren, werden Systementwickler mehrere Speicherschichten verwenden. SRAM und DRAM werden durch neue Schichten von Phasenwechsel- oder Widerstandsspeichern und NAND ergänzt werden, so Coughlin. "Es wird eine sehr interessante Zeit sein, und wir werden sehen, wie sich das alles entwickelt. Ich glaube, dass MRAM eine solide Basis hat, um Teil dieser Menagerie zu sein", sagte er. 22FDX® eMRAM Eggleston sagte, dass GF den eingebetteten Flash-Speicher weiter ausbauen wird, aber GF plant, eMRAM mit einer anderen Technologie zu kombinieren, die Vorteile bei der Maskenzahl hat: die 22FDX-Plattform auf Basis von vollständig verarmtem SOI. Die 22FDX-basierten Produkte werden ab 2017 auf den Markt kommen, und eMRAM wird laut Eggleston im darauf folgenden Jahr verfügbar sein. Dieser Zeitplan steht im Gegensatz zu den üblichen vier oder fünf Jahren, die es dauert, NVM auf eine neue Logiktechnologie zu bringen. "Für Kunden, die eingebetteten Speicher benötigen, ist es ein großer Gewinn, eMRAM so kurz nach der ( 22FDX- )Logikeinführung auf den Markt zu bringen. Mit eMRAM müssen die Kunden ihre Designs nicht neu charakterisieren, da eMRAM eine Erweiterung der Plattform ist und nicht eine eigene Plattform", sagte er. Da eMRAM die zugrundeliegenden Transistoren nicht verschiebt, können Entwickler effizient ein 22FDX-basiertes SoC mit integriertem eMRAM bauen, das mit einer Logikspannung läuft. "eMRAM ist unkompliziert, lässt sich unglaublich gut integrieren und läuft mit einer Logikspannung", sagte er. Erfahrung in der Fertigung Andere Unternehmen haben öffentlich auf ihre eigenen MRAM-Entwicklungsprogramme hingewiesen. Coughlin merkte an, dass Everspin, das früher CMOS-Logik-Wafer nahm und sein MRAM am hinteren Ende der Linie anbrachte, jetzt mit GF als vollständigem Fertigungspartner zusammenarbeitet. Die von Everspin verkauften diskreten MRAMs mit einer Dichte von 256 Mbit und bald auch 1 Gigabit werden von GF hergestellt. Coughlin schätzt, dass Everspin bisher etwa 60 Millionen diskrete MRAMs verkauft hat. Quelle: Everspin, MRAM-Führung über drei Generationen Die jahrelange Produktionserfahrung, die GF durch die Zusammenarbeit mit Everspin gewonnen hat, hat zu wichtigen Erkenntnissen in den Bereichen Abscheidung, Ätzung, Messtechnik und anderen Produktionsprozessen geführt, die für die mehrschichtigen Magnetstapel in MRAMs einzigartig sind. Coughlin sagte, dass die Produktions- und Technologiepartnerschaft mit Everspin GF einen Vorsprung im Bereich eMRAM verschafft hat. "Ich denke, es ist eine sehr wichtige Pionierarbeit. Sie hat den Partnern einen Vorsprung bei den tatsächlichen Produkten verschafft, aber sie müssen fleißig sein, um ihren Vorsprung zu halten", sagte Coughlin. Eggleston sagte, dass die Spin-Transfer-MRAM-Arbeit zwischen GF und Everspin in den vergangenen zwei Jahren, in denen die Wafer in Betrieb waren, eine Menge Lernzyklen" ermöglicht hat. "Wenn wir mit 22FDX eMRAM in Produktion gehen, werden wir bereits seit vier Jahren MRAM herstellen. Das beschleunigt definitiv die Markteinführung unserer Embedded-Lösung", sagte er.
