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磁性随机存储器—存储领域的后起之秀

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  指嵌入式磁性随机存取存储器,可作为系统级芯片(SoC、MCU等)产品的片上存储解决方案。是28纳米及以下工艺技术节点上嵌入式闪存(eFlash)和嵌入式缓存(L3或以下层级的eSRAM)的最佳替代技术。

  eMRAM技术是自旋电子学(Spintronics,2007年诺贝尔物理学奖)发展的重要产物。不同于传统半导体存储器如DRAM、SRAM和NAND闪存等利用电子的电荷特性进行数据存储,eMRAM是利用电子的自旋特性实现数据存储。其核心存储器件为磁性隧道结MTJ,主要包含一个自由层、一个参考层和一个夹在两者中间的绝缘层,如图所示。参考层的自旋磁化方向固定不变,自由层的自旋磁化方向可以改变成和参考层相同或相反。当两者自旋磁化方向相同,也即MTJ处于“平行磁化方向”状态时,MTJ呈低电阻状态;反之,当两者自旋磁化方向相反,也即MTJ处于“反平行磁化方向”状态时,MTJ呈高电阻状态。在信息存储领域,这两种截然不同的电阻状态可以分别用来代表二进制数据“0”和“1”。

  eMRAM制造工艺通过Above-CMOS方式实现,也即其核心存储器件MTJ是集成在传统CMOS电路上部,通过金属互连线与其它CMOS功能模块实现交互通信,完成数据存取操作。MTJ通常被嵌入在相邻两个金属层之间,如图所示。其制造过程主要分为两个部分,分别是前端标准CMOS部分、后端磁性存储部分(MTJ、顶层金属互联)。其中MTJ部分工艺同传统集成电路的后端互联工艺相互兼容,一般来说,MTJ部分的制造工艺仅需要3层额外的掩膜(Mask)。因而在先进工艺技术节点下,其制造成本要远低于嵌入式闪存eFlash(一般需要20层左右的掩膜)。

  eMRAM属于嵌入式非易失性存储器,同其它嵌入式存储器的比较如下表所示。

  eMRAM具有非易失性、读写速度快、能耗低、集成密度高、耐久力强、天然抗辐射和随工艺节点等比微缩等优点。具体描述如下:

  1.非易失性、能耗低:非易失性指的是在关闭电源的情况下,数据也能得以保存而不丢失。相对而言,传统半导体存储器如eSRAM需要依赖持续供电以保存数据(易失性)。另外,相比于同样是非易失性的eFlash,eMRAM能耗要小的多,其所需工作电压与逻辑电压一致(1.1V),而不像eFlash那样需要高电压(8-12V),且其写入过程不需要先进行擦写操作。

  2.速度快、耐久力强:相较eFlash微秒级的擦写速度,eMRAM可达到纳秒量级,接近eSRAM。耐久力强,指的是eMRAM可反复擦写的次数几乎接近于无限次,高于eFlash。因此,eMRAM可以作为工作内存和企业级存储的高速缓存等使用,辅以其具备的非易失性优势,使得采用eMRAM作为存储解决方案的电子设备在具备高速运算能力的同时,实现超低功耗。

  3.集成密度高、随工艺节点等比微缩:集成密度高,指的是单位面积内存储容量大,高于eSRAM,因此成本低。随工艺节点等比微缩,指的是随着技术工艺的持续微小化,eMRAM的存储单元尺寸可相应等比例缩小(可微缩到7纳米及以下),而eFlash因受到自身物理机理的限制,在28纳米以下工艺节点便无法继续微缩。eMRAM优秀的可持续发展性(技术寿命周期长),是工业界在考量该项新兴技术时最为关注的一点。

  4.天然抗辐射:同传统的存储技术相比,eMRAM的核心存储器件MTJ具有天然抗辐射能力。因而使其在航空、航天领域的应用中占有重要地位。磁性存储器是唯一获得美国国家航空航天局(NASA)宇航应用认证的新型非易失性存储器。除了天然抗辐射,磁性存储器还具有满足军用要求的工作温度范围,所以在极端环境下也具有相当广泛的应用。

  综上所述,因传统嵌入式存储器(如eFlash,eSRAM)受限于成本、能耗、性能、技术物理障碍等因素,业界已采纳eMRAM为先进工艺节点(28nm及以下)的最佳片上嵌入式存储解决方案。

  经过十余年的发展,eMRAM技术终于在2018年下半年进入成熟期,行业市场普遍接纳了其作为28nm及以下工艺节点嵌入式存储技术的最佳解决方案。eMRAM得益于其优良的技术特性,便成为了eFlash和eSRAM(L3及以下层级的缓存应用)的最佳替代方案。

  eMRAM技术因其技术特点和应用场景与逻辑工艺紧密相关,所以该技术工艺得到了全球排名前六的所有Foundry代工厂商的高度重视。历经数年的积累与开发后,自2018年下半年开始,各Foundry厂商纷纷宣布了各自eMRAM的量产与代工计划。

  除了上述Foundry代工厂商之外,另一个芯片领域龙头企业英特尔(IDM模式)也于2019年2月公布了其基于22纳米FinFET平台的eMRAM工艺技术,并宣布该工艺已做好量产准备。

  我国境内地区eMRAM技术领域相对非常空白。主要为几家高校和科研机构从事较为分散的自旋电子基础科研活动,为代表的是北航。自2018年开始,随着其它各Foundry代工厂商在eMRAM领域的快速推进,我国境内最大的代工厂商中芯国际(SMIC)也积极进行布局,并且取得了快速的进展,有望在2020年开始风险量产。除中芯国际之外,华为海思也已经从几年前就开始了在eMRAM技术领域的准备与积累,并且针对其自身产品的需求与代工合作伙伴进行技术工艺的开发和优化。

  面对半导体存储市场这个即将到来的新风口,启迪之星创投也在积极布局MRAM设计行业,分享行业上升带来的红利。

  电子网消息,格芯(GLOBALFOUNDRIES)今日宣布推出基于公司22纳米 FD-SOI (22FDX®)平台的可微缩嵌入式磁性随机存储器(eMRAM)技术。作为业界最先进的嵌入式内存解决方案,格芯22FDX eMRAM,为消费领域、工业控制器、数据中心、物联网及汽车等广泛应用提供优越的性能和卓越可靠性。正如近期在美国所展示的,格芯22FDX eMRAM具有业界领先的存储单元尺寸,拥有在260°C回流焊中保留数据的能力,同时能使数据在125°C环境下保留10年以上。这项行业领先的技术优势使其能够被用于通用、工业和汽车领域的微控制器单元(MCU)。FDXTM和eMRAM的能效连同射频连接功能和毫米波IP,使得22FDX成为电池驱动

  磁性随机存取存储器(MRAM)是一种非易失性存储器技术,正在作为一种主流的数据存储技术被业界所广泛接受。它集成了一个磁阻器件和一个硅基选择矩阵。MRAM的关键属性有非易失性、低电压工作、无限次读写的耐用性、快速读写操作,并且作为后端技术而容易集成。这些特性使得MRAM有可能替代各种应用中的许多类型存储器。 在最简单的实现中,一个MRAM单元由连接着一个选择晶体管的磁性隧道结(MTJ)组成。磁性隧道结有两个磁层组成,中间用一个很薄的氧化隧道势垒隔开。其中一个磁层有固定的磁方向,被称为参考层(FR),另一个称为存储层(SL),它可以从一个方向切换到另一个方向。存储比特的阻抗是低是高取决于存储层相对于固定参考层的磁方向,即平行或反平

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