FRAM和MRAM怎么发展

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DRAM 发展快到尽头，磁性记忆体（MRAM）和相变记忆体（PRAM）是最有潜力的接班人？IBM 和三星电子最近宣称，「自旋传输磁性记忆体（STT-MRAM）」的研究出现突破，有望加速走上商用之途。- y! H& S7 K0 J- f) j$ G
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韩媒BusinessKorea 11 日报导，IBM 和三星在电机电子工程师学会（IEEE）发布研究论文宣称，两家公司携手研发的STT-MRAM 的生产技术，成功实现10 奈秒（nanosecond）的传输速度和超省电架构，理论上表现超越DRAM。

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7 X; @9 H$ e, kSTT-MRAM 借着改变薄膜内的电子旋转方向、控制电流，表现效能和价格竞争力都优于DRAM。最重要的是，DRAM 很难微缩至10 奈米以下，STT-MRAM 则没有此一困扰。业界人士表示，STT-MRAM 是次世代记忆体中最实际的替代方案，95% 的现行DRAM 产设备皆可用于制造STT-MRAM。IBM 和三星之外，SK 海力士（SK Hynix）和东芝（Toshiba）也协力研发此一技术。
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. G& }: H  a4 v1 i8 d# x. L0 Y: r8 h除了STT-MRAM，近来相变记忆体（PRAM）也备受瞩目，英特尔的3D Xpoint 就包含PRAM 技术。PRMA 结合DRAM 和NAND Flash 优点，速度和耐用性提高1 千倍，不过目前仍在理论阶段。. P7 I6 \! o% f! s9 u

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2 |9 n! a: c! [FRAM——铁电存储器4 D( s" Q& F2 M: j- W

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传统的主流半导体存储器可以分为两类：易失性和非易失性。易失性存储器包括静态存储器SRAM(Static Random Access Memory)和动态存储器DRAM(Dynamic Random Access Memory)。SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。RAM类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下失去所保存的数据。

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非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。然而所有的主流非易失性存储器均源自于只读存储器(ROM)技术。正如你所猜想的一样，被称为只读存储器的东西肯定不容易进行写入操作，而事实上是根本不能写入。所有由ROM技术研发出的存储器则都具有写入信息困难的特点。这些技术包括有EPROM、EEPROM和Flash。这些存储器不仅写入速度慢，而且只能有限次的擦写，写入时功耗大。% J8 v( R& i% n; B6 p, m/ u& G
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( N" F8 `  r9 p% t相对于其他类型的半导体技术而言，铁电存储器具有一些独一无二的特性。铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型问搭起了一座跨越沟壑的桥梁——一种非易失性的RAM。同传统的非易失性存储器相比，铁电存储器具有功耗小、读写速度快、抗辐照能力强等优点，因此受到很大关注。; G; |7 f9 g( v; F, e
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$ l( K8 I. L# M& x& b+ h: o铁电存储器工作原理4 N# L- {0 f$ j. o
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当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。
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因此，在一个外加电场下，铁电材料的极化特性会发生改变，当这个电场去掉以后，这个信息仍然能够保存。没有外加电场的情况下，极化特性有两种稳定的状态。图1是一个铁电材料电容的电滞回线，显示了铁电电容在所加不同电场的情况下的不同极性。其中，最重要的两个参数是剩余极化程度Pr，和矫顽场Ec。在没有电场强度的情况下，+／-Pr就表示了“0”、“1”两个状态。为了获得这两个状态，所加电场必须大于+／-Ec，因此，所需要的阈值电压也就确定了。: w* V& P3 u% q8 O
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相比之下，铁电电容的漏电流没有EEPROM、FLASH之类的传统非易失性存储器那么重要，因为FeRAM的信息存储是由极化来实现的，而不是自由电子。5 r; m3 \0 y4 q
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铁电存储器的电路结构
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铁电存储器的电路结构主要分成以下三种：2晶体管-2电容(2T2C)、1晶体管-2电容(1T2C)、1晶体管-1电容(1T1C)，如图3所示。2T2C结构由于每一位都有两个相反的电容互为参考，因此可靠性比较好，但是所占面积太大，不适合高密度的应用。晶体管／单电容器结构可以像DRAM一样，使用单电容器为存储器阵列的每一列提供参考。与现有的2T／2C结构相比，它有效地把内存单元所需要的面积减少一半。这种设计极大地提高了铁电存储器的效率，降低了铁电存储器产品的生产成本。1T1C结构的集成密度较高(8F2)，但是可靠性较差，1T2C结构是这两种结构的折衷。
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4 O2 e( J& s  T$ Q* ?+ m% I3 R% J目前，为了获得高密度的存储器，大多采用1T1C的结构。8 H( I" o4 {+ V+ P9 x
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1 r! @- x+ W1 V) o此外，还有一种链式结构也被采用，这种结构类似于NAND的结构，通过这种方法，可以获得比1T1C更高的存储密度，但是这种方法也会使得存取时间大大增加。
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MRAM磁性随机存储器相关的磁电阻效应和自旋电子学

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) f3 n7 w9 \' G5 sMRAM的全称是Magnetoresistance Random Access Memory，磁致电阻随机存储器。目前，MRAM的诸多研究中，已经可以开始生产的产品结构被称为STT-MRAM（Spin Transfer Torque Magnetoresistance Random Access Memory，自旋注入磁化反转磁致电阻随机存储器）。因此，本文的介绍也基于STTMRAM进行，简称为MRAM。+ j4 L6 z+ s1 }1 f
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9 M1 W% {! y7 q* O) j8 q如果单看上文给出的名字：自旋注入磁化反转磁致电阻随机存储器，如此“高大上”的名称肯定让人眼晕。实际上，MRAM的结构并不复杂，原理也不难。它采用了类似三明治的结构。为了讲清楚它的工作原理，我们先了解一些特性：! a! z) L8 {3 O. y  k
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1.磁电阻效应：这是指某些材料在强磁场下表现高电阻，弱磁场下表现低电阻（或者相反）。磁电阻效应在很多金属和半导体上都可看到，电阻率变化正负都有，常见的比如锑化铟、砷化铟等都是磁电阻效应比较明显的材料。0 P4 G. Q" \0 t
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2.量子隧道效应：又称为势垒贯穿，是指电子在表现出波的性质的时候，有一定概率以波的方式越过势垒的效应。简单来说，就是在绝缘层极薄的情况下，它拥有一定的导电能力。
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3.自旋注入磁化反转效应：这个效应前文提到了，也就是Spin Transfer Torque。" O) j1 E8 H) p* R9 M6 ?
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- q. f& \& N- s5 l$ H6 x! E; a. \8 z  b在了解各种效应后，理解MRAM的设计就不难了。如图3所示的MRAM三明治结构。上下两层磁体夹着中间的绝缘膜，其厚度大约几纳米，如此薄的绝缘膜使得量子隧道效应能很自如的展现出来。
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, n- u& l" V+ A* _4 D) f! y! `除了绝缘层外，MRAM中可变磁方向的层（利用自旋注入磁化反转效应）被称为“自由层”，而固定不变的永磁体层被称为“参考层”。
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当一个MRAM单元通电后，电流利用量子隧道效应，在自由层和参考层之间流动。当参考层的磁场方向和自由层相同时，磁场表现为叠加强磁场，电阻变低，电流变大；当两者方向相反时，磁场表现为互斥弱磁场，电阻变高，电流变小，相反的情况也可以。工程人员只需要测试电流的高低差值、或者电压差，就可以很自如的给出1和0两种状态定义，从而存储数据。6 J; N8 U# ~- Q$ p, w; h, _: V
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不仅如此，由于自由层的磁场方向改变是由于外部条件引发电子自旋方向改变，因此只要外部条件消失，电子自旋方向理论上会稳定持久的存在下去，这就意味着在完成了写入状态后，数据状态会被永久的保留。
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从技术原理来看，MRAM似乎不难理解。但是它的理论知识却涉及相对论、量子力学等一些物理前沿学科。当然，在了解了结构之后，人们对MRAM还是抱有一定的疑惑：这东西，真的管用吗？4 z+ k. Z2 g- a) _/ v
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MRAM的优势—易制造、密度高、速度快、高耐久1 D1 }+ j! Z$ w3 c1 U
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7 s! Q2 e# S) b" `相比目前的DRAM或者SRAM，MRAM的优势还是非常明显的。包括它的高可制造性、高数据密度、高速度、非易失性和耐久性等，都吸引着研发人员的目光。
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/ \% Z3 G1 C# p4 B高可制造性: {8 N" o% ~. A1 T: @
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MRAM是比较容易使用现有的工艺制造，这是由于其结构本身所决定的。在制造中，人们只需要在后端金属化过程中增加几步需要光刻掩膜板的工艺，即可完成MRAM的大规模制造。除此之外，MRAM和目前的晶体管相容性也非常不错，可以很方便地就嵌入到逻辑电路中。' B7 n$ B$ I3 n* V: }& K: @: e
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! x* Y; a* [6 V* E) P# ~3 [MRAM的高可制造性使得全球各大厂商在推广MRAM的生产和研究方面充满了热情。毕竟不需要彻底更新现有设备就能实现全新一代存储颗粒的生产，简直再美好不过了。不仅如此，台湾的一些研究机构还针对MRAM的生产制造做出了一些改进。早期的MRAM采用的是横向水平排列，这样的工艺虽然可以完成，但是在体积上不太容易缩小。因此台湾的芯片制造商开始考虑使用垂直架构来完成产品的生产。目前的核心问题在于如何解决“电流不对称”上，所谓电流不对称，就是指将MRAM的自由层的磁场使用一定强度的电流固定在一个方向后，要使用更大的电流才能将其翻转至另一个方向。这样的情况带来了MRAM在使用和控制上的一些问题，比如能耗比降低、写入速度变慢等。目前对非对称问题的研究很多，很可能部分厂商已经在实验室中得到了完美解决。# l$ N4 j* h: \  A

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高数据密度
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$ N5 a7 `* J5 Q& V所谓更小的面积，目前的数据是指相比SRAM，MRAM在同等面积下能够提供大约是SRAM两倍甚至四倍的容量。这个消息对很多处理器生产厂商来说可谓“天籁之音”，因为庞大的SRAM已经占据了太多的芯片空间。. h5 `2 r, p0 J( U$ }' W
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有关这部分的详细数据，IBM和希捷在2009年的HPCA高性能计算机体系结构国际研讨会上有更详细的阐述。在IBM的数据中，如果使用65nmCMOS工艺制造SRAM和MRAM生产存储单元，那么SRAM的存储单元面积为146个单位面积，而MRAM只有大约40个单位面积。具体面积方面，MRAM能够在3.3平方毫米的面积中容纳512KB的数量，而SRAM在3.62平方毫米的面积中只能容纳128KB。更进一步的话，目前在CPU缓存中广泛使用16-way的L2SRAM配置方案，容量大概不超过2MB，但如果改用MRAM的话，这个容量将会达到8MB。
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8 d( Z6 E7 G2 d( n总的来看，MRAM得益于先天的结构优势，在数据密度方面有了比较大的提高。这有助于MRAM未来在CPU、GPU等场合的应用，更大的缓存可以存储更多的数据并显著提高计算效率，降低等待时间。+ _0 P  H/ v6 u: R; M6 o
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高速度8 R+ h* M$ i6 `4 t. ]1 K2 d. `' a
2 h3 v8 |- A( a  {0 g6 p8 @5 q4 q' }# i0 ^3 {- v

) @: z0 n6 _% K) ^和所有的存储设备发展历程一样，早期的MRAM在完成了结构设计和优化后，所展示出来的速度并没有达到SRAM缓存的级别，甚至差距有一个数量级之多。但是这并不意味着MRAM没有改进的空间，相反它的速度进步空间极大。