跨越鸿沟，MRAM风格

作者：Dave Lammers戴夫-拉默斯

随着数十年的发展，嵌入式STT-MRAM即将上市，取代嵌入式NOR闪存，由于功率、掩模复杂性和比特单元扩展等问题，NOR闪存在28纳米后的节点上已经失去了活力。

我参加过很多IEDM会议，在这些会议上，各公司在逻辑领域进行了正面交锋；例如，在微处理器逻辑领域，英特尔对阵IBM。12月初在旧金山举行的第64届国际电子器件会议以存储器为中心，来自GLOBALFOUNDRIES和其他几家公司的工程师在IEDM讲台上讨论他们的嵌入式MRAM项目。

数据存储咨询公司Coughlin Associates的总裁Tom Coughlin提到Geoffrey Moore在1991年出版的书时说，几乎所有的新技术都会出现，然后面临多年的 "跨越鸿沟"，证明可靠性并获得客户的认可。

"不依赖摩尔定律的扩展已经解放了这个行业，"Coughlin说。"我们正在摆脱我们制造芯片的传统方式，转向小芯片。而且我们不能像以前那样摇动传统的存储器。"

嵌入式MRAM是该行业创造力的一个典型例子。经过几十年的发展，MRAM终于作为闪存的替代技术进入市场。GF在新加坡的MRAM设备负责人Kangho（Ken）Lee说，由于与STT-MRAM制造伙伴Everspin Technologies（亚利桑那州钱德勒市）签订了联合开发协议，获得了技术和制造经验，所以GF在MRAM领域处于领先地位。

准备出发

在12月初的IEDM会议上，我见到了李和他的同事，可靠性工程师林家豪，并问道。MRAM是否已准备好用于替代NOR eFlash？

"我们一直在为Everspin做生产，这绝对是有帮助的。我们的嵌入式MRAM正准备投入生产。我们现在正在鉴定我们的工艺，这将很快完成。NOR闪存的替代是非常可能的。技术上没有任何障碍，"李说。

在题为 "用于低功耗汽车-1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所做的工作，即嵌入式存储器必须能够承受低至零下40摄氏度、高至150摄氏度的工作温度。

"我们在这次IEDM上所谈论的是我们用于汽车级应用的MRAM。迄今为止，没有一家公司在这个温度范围内展示过宏观层面的数据，特别是在150摄氏度的温度下。我们正在展示汽车用MRAM的可行性，这对未来实现嵌入式STT-MRAM作为非易失性存储器平台非常重要，"李说。

特别是，GFeMRAM显示了低于ppm的误码率（BER）和极好的可靠性。"有许多MRAM应用，我们有一个技术平台，可以为许多应用服务。ADAS（高级驾驶辅助系统）可能是一个非常重要的应用。其中一个挑战是要达到150摄氏度的读取余量。李说："由于MRAM的器件特性，它在更高的温度下会失去读取余量。

通往汽车资格认证的道路

嵌入式存储器高级主管Martin Mason表示，GF正在积极与客户接触，致力于在22FDX®平台上进行嵌入式MRAM的新设计。计划在2019年进行多次生产带出。

物联网和其他以低功耗为中心的设计将首先出现，其次是2020年的汽车用SoC。Mason说，GF的现有客户中有 "相当一部分 "正在生产复杂的汽车用微控制器。Mason说，让MRAM通过汽车鉴定过程对GF和汽车行业未来的产品路线图至关重要。

"没有任何主要障碍阻止我们满足汽车客户的要求。我们正在与他们讨论在2020年下半年获得资格的问题。我们看到了达到这一目标的路线图和路径，而这才是最重要的。我们现在有（eMRAM）宏，并正在与客户合作进行新的设计，以确定我们手头所拥有的特征。我们相信我们能达到规格吗？简单的答案是'是的，只需一点工程'，"梅森说。

Jim Handy客观分析公司的内存分析师汉迪说，消费类设备，如心脏监测器，很少超过人类的体温。但发动机或变速器控制器必须在各种温度下工作，包括高温和低温，Handy说这是为eMRAM "设定的一个硬目标"。但客户需要它；28纳米以上的NOR闪存没有替代品。

汉迪说："MRAM在前沿节点上可能很有吸引力，不仅适用于高复杂度的MCU，如发动机和变速器控制器，也许还适用于娱乐系统，这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中的大多数将继续使用略微老旧的工艺节点上的NOR闪存。

节省电动车电池电量

Coughlin说，随着以电池为动力的ADAS汽车进入市场，汽车制造商正在寻找不消耗大量电力并能承受高温的高复杂度MCU。"现在的目标是ADAS 4级，那是一个非常复杂的系统。由于这些MCU的晶体管数量很高，公司需要把这些设计放在领先的技术上，而支持它的eMRAM就在眼前，"Coughlin说，"最大的问题是MRAM是新的，业界没有那么多制造它的经验，特别是针对较高温度。"

Mason说，GF的汽车客户不仅需要带有eMRAM的22FDX用于发动机和变速器控制，还需要用于其他暴露于高温的处理器。暴露在仪表盘中的MCU、ADAS射频雷达和激光雷达系统或安装在汽车前挡风玻璃上的摄像头中的MCU，这些都暴露在苛刻的热环境中。

不同的界面，并列的方式

Mason介绍了GF独有的能力：将一个NOR-闪存替代的eMRAM宏放在一个芯片上，与另一个具有SRAM类型接口的更小的eMRAM宏一起。这些预先建立并经过验证的eMRAM宏可以被放入22FDX设计中。现在有32位和16位的宏，用一个磁隧道结（MTJ）位单元构建，计划在2019年上半年推出带有4位宏的NOR闪存型接口。带有类似SRAM接口的2兆比特宏，每个比特单元使用两个MTJ，以提高读写速度。

使用相同的底层MTJ但有不同的感应放大器，闪存型宏有一个用于代码存储的接口，而SRAM型宏驻留在同一芯片上，用于持久的工作类存储器，在微控制器内提供一个完整的系统。

"许多客户在他们的设计中使用这两种宏。与22纳米的SRAM相比，使用MRAM并没有节省多少密度，但他们告诉我们'这并不重要，真正重要的是功率'。在许多这样的便携式应用中，功率才是关键所在。Mason说："客户真的很喜欢利用芯片内部的持久性来节省功耗，具有完全静态的能力，支持从断电后快速启动并保留数据值。

汉迪是他职业生涯早期的一名存储器设计师，他说几十年来，人们一直在为独立的ROM和SRAM功能编写代码，在大不相同的（闪存和SRAM）晶体管中。"在某些时候，人们会有一个绝妙的想法，把SRAM功能放在MRAM中，然后人们会开始改变他们编写代码的方式。但是，三十年来，人们已经习惯于用同样的方式写代码，这需要时间来落实，"他说。

Handy说，如果MRAM的位单元是建立在较小间距的较低金属层中，那么它就相当小。在那里，与SRAM缓存相比，MRAM可以有大约一半的位单元面积，提供了芯片尺寸的节省。但在较高的金属层中，MRAM和SRAM的尺寸是相似的。

Mason说，GF正在与许多客户合作，在基于22FDX®的设计上运行带有eMRAM的多项目晶圆（MPW）。嵌入式MRAM已经通过了多次（五次）焊接回流焊测试，并表现出更大的数据保留和耐用性。与闪存相比，它的读取速度 "非常接近"，而写入速度则快得多（一个数量级）（200纳秒，而20微秒）。

Mason说："结合低功耗背负式SOI工艺和射频能力，GFs 22FDX平台是一种高度差异化的物联网开发技术，"他补充说，"目前行业正在向新的NVM存储器和绝缘体上的硅技术进行关键性转变。"

他说，客户将为其下一代物联网（MCU）设计评估GF的22FDX工艺与MRAM，以利用这些新技术。

"有了eMRAM，就很少有数据保留的问题，不像闪存那样有很大的问题。我们有一个非常广泛的设计胜利管道，有超过2.5亿美元的设计胜利。我们正在为生产做准备，最终完成我们的鉴定活动。与其他嵌入式MRAM解决方案不同，我们将其设计得很坚固--我们认为这是采用eFlash存储器替代品的关键，也是'跨越'从早期采用到主流接受的鸿沟的关键。"

"Coughlin说："MRAM将会发生，但现在它正在跨越鸿沟。当一项新技术进入市场时，"通常发生的情况是，我们尝试一些不同的市场，看看它在哪里能发挥最大作用。这就是现在MRAM的情况。你开始建立起你的产量和摊销成本。整个游戏就是要提高产量。他说："成本降得越多，它就越能被人看好。