這小小的器件，為何二十幾位中科院院士要聯名支持！

導讀：雖然我國在傳統存儲器布局落後很多，但在下一代存儲器技術早已戰略布局。

幾年前更有二十幾位中科院院士聯名支持發展磁變存儲器（MRAM），我國科研力量在未來存儲器的產業技術競爭會扮演相當重要的角色。

物聯網發展熱潮將推升存儲器需求。

行動裝置、汽車、工業等機器對機器（M2M）裝置對固態硬碟需求持續攀升，加上嵌入式系統因應大數據資料來臨，對存儲器容量的要求也翻倍成長，這些都可望帶動各種嵌入式存儲器出貨量一路長紅。

但以海量數據存儲為主要載體的物聯網對存儲器提出了低成本、低功耗、高容量、高速度、高可靠性的要求。

尋找一種最具有競爭力和發展潛力的非揮發性存儲器，緊迫且意義重大。

對於信息存儲產品的性能有了更高要求後，迫切需要在存儲材料和技術方面取得突破。

在這些需求的驅動下，相繼出現了一些新型非易失存儲器，如鐵電存儲器（FRAM）、相變存儲器（PRAM）、磁變存儲器（MRAM）、阻變存儲器（RRAM）。

磁變存儲器（MRAM）是一種非揮發性存儲器技術，也就是當電流關掉，所儲存的資料並不會消失的存儲器。

磁變存儲器最有潛力的代表是自旋轉移力矩磁變存儲器（STT MRAM）。

既有動態隨機存儲器（DRAM）和靜態隨機存儲器（SRAM）的高性能，又能兼顧快閃記憶體的低功耗優勢。

存儲單元主體為磁性隧道結（MTJ），有上下兩層磁性材料（如：鈷鐵合金）和中間的絕緣夾層（如：氧化鎂）所組成。

其中一層為固定磁性層，另一層為自由磁性層。

工作原理是由磁場調製上下兩層磁性層的磁化方向成為平行或反平行，從而建立兩個阻值各異的穩定狀態。

磁變存儲器（MRAM）自1990年代開始發展，這項技術在學理上的存取速度接近SRAM，具快閃記憶體的非揮發性特性，在容量密度及使用壽命上也不輸給DRAM，平均能耗遠低於DRAM，未來極具成為真正通用型存儲器潛力。

但由於採用了大量的新材料、新結構，量產難度極大。

相變存儲器（PRAM）可在晶片供電中斷時保存數據，與普通快閃記憶體的工作原理相同。

但PRAM寫入數據的速度要比快閃記憶體快30倍，其壽命周期也將至少提高十倍。

相變存儲器是基於材料相變引起電阻變化的存儲器。

結構上有電阻加熱器和相變層所組成。

通入重置（RESET）寫電流後，電阻加熱器使得相變層溫度迅速升高，在達到相變層熔點後較短時間內，關閉寫電流，使得材料快速冷卻，此時固定在非晶態，為高阻態。

為了使相變層材料重新回到晶態，需要通入設置（SET）電流，相變層需要被加熱到結晶溫度和熔化溫度之間，使得晶核和微晶快速生長。

目前相變層材料的研究集中在GST系合金。

由於重置寫電流較大，相變存儲器的功耗較高，另外寫電流時間較長，寫速度較慢。

尋找新型相變材料來降低寫電流，同時加快寫速度和減少熱擾動成為急需解決的難題。

阻變存儲器（RRAM）同樣是一種新型的非揮發性存儲器，其優點在於消耗電力較NAND低，且寫入資訊速度比NAND快閃記憶體快了1萬倍。

阻變存儲器作為最重要的下一代新型存儲器，近十幾年來受到高度關注。

阻變存儲器具有結構簡單、高速、低功耗和易於三維集成等優點。

存儲單元結構為上電極和下電極之間的電阻變化層。

根據電阻變化層的材料，阻變存儲器可分為氧化物阻變存儲器和導電橋接存儲器。

前者研究較為廣泛，國際上已有數家公司展示了原型產品。

新一代存儲器道阻且長

事實上，磁變存儲器（MRAM）、阻變存儲器（RRAM）與相變存儲器（PRAM）等技術並非近年來的產物，早在1990年代，就有廠商開始投入研發，而促使新世代存儲器發展在近年來露出曙光的原因，正是進入高速運算時代，存儲器技術演進速度出現跟不上系統效能演進速度所導致。

1995年摩托羅拉公司演示了第一個MRAM晶片，並生產出了1MB的晶片原型。

2007年，磁記錄產業巨頭IBM公司和TDK公司合作開發新一代MRAM，使用了一種稱為自旋扭矩轉換（spin-torque-transfer ， STT）的新型技術，利用放大了的隧道效應（tunnel effect），使得磁致電阻的變化達到了1倍左右。

TDK於2014年首次展出了自旋轉移力矩磁變存儲器的原型，容量為8Mb，讀寫速度是當時NOR的7倍多（342MB/sVS48MB/s）。

Everspin是目前唯一一家出售此類產品的公司，去年開始可以提供密度高達256Mb的磁變存儲器樣品。

2000年以來，Intel、美光、ST都致力於相變存儲器的研發，美光於2012年宣布1Gb和512Mb的相變內存的首次量產，但是可能替代快閃記憶體的大容量相變存儲器由於各種技術原因，目前尚未問世。

2013年，松下發布了世界上第一個用於嵌入式應用的阻變存儲器。

它集成了一個180nm的阻變存儲器器件和一個8位控制器。

2015年初，Crossbar（美國）宣布其阻變存儲器開始進入商業化階段，初期準備面向嵌入式市場，同時正加速進行容量更大的下一代阻變存儲器研發，預計於2017年面世。

目前Crossbar 阻變存儲器已經製備了40nm產品並已經向2x nm邁進，實現更高密度和更緊密集成的的器件。

美光和索尼也在開展阻變存儲器的聯合研發。

從2007年起，每年半導體鄰域的幾個重要國際會議（如IEDM和VLSI）均會報導最新的研發進展。

2014年美光公布了27nm基於CMOS工藝製造的單顆容量16Gb阻變存儲器原型，但目前距離量產仍有較大距離。

大規模量產的最大挑戰是實現較好的均勻性，提高產品良率和可靠性。

另外，多位存儲的要求對電阻變化層的材料也提出了嚴峻的考驗。

大規模提高阻變存儲器容量，需要材料和結構的進一步優化和創新。

半導體巨頭下注新一代存儲器

除了高速運算與數據中心的儲存需求以外，物聯網需要的非揮發性存儲器，也就是即時資料儲存需求，牽涉到物聯網需要低能耗、數據耐久度高、每次寫入或存儲的資料單位小等層面。

全球半導體巨擘正在下一代新型存儲器市場展開強力競爭，這很可能全面改變半導體市場的發展前景，並成為未來半導體代工的主要業務之一。

雖然磁變存儲器（MRAM）在先前的技術節點展現了非揮發性、高可靠性以及可製造性，磁變存儲器在長期看來會是較受歡迎的技術。

但在微縮至2x nm節點以及相容嵌入式存儲器的後段製程（BEOL）溫度時開始面臨挑戰。

阻變存儲器（RRAM）和磁變存儲器（MRAM）具有類似的功能，二者都是後段校準的存儲器，因而能更易於落實於邏輯製程中。

RRAM的堆疊更簡單，因為在電極之間所需的材料較少。

而且它並不需要像MRAM一樣的設備投資。

雖然阻變存儲器和相變存儲器等其他類型的存儲器也都有其支持者，但這些存儲器都存在著微縮的問題，難以因應28nm CMOS製程的要求。

三星電子正大力發展MRAM存儲器，而另一半導體巨擘英特爾則是強攻含3D XPoint技術的PRAM型存儲器。

台積電目前已具備「量產」MRAM及阻變存儲器（RRAM）等新型存儲器之技術。

嵌入式存儲器在半導體晶片中的作用非常重要，它向整個晶片提供的可互用特性決定了整個晶片的效率、速度和性能。

只有設計方法可靠，才能設計出優良的存儲器。

目前三星電子正大力發展eMRAM存儲器，三星的28nm FD-SOI（Fully Depleted Silicon on Insulator）製程有eMRAM 的選項，其中eMRAM的風險生產為2018年；而18nm的FD-SOI製程的風險生產將始於2020年，也有eMRAM的選項。

歐洲最大半導體廠商-恩智浦半導體已經決定採用三星電子的eMRAM存儲器，以應用在相關的物聯網裝置之上。

台積電發布在2018年下半年於28nm製程中生產eMRAM。

而GlobalFoundries也發布，計劃在2017年於22nm FD-SOI製程上提供eMRAM，2018年進入量產。

我國戰略布局新一代存儲器

雖然我國在傳統存儲器布局落後很多，但在下一代技術存儲器早已戰略布局。

幾年前更有二十幾位中科院院士聯名支持發展MRAM。

我國科研力量在未來存儲器的產業技術競爭會扮演相當重要的角色。

中科院上海微系統所就與中芯國際共同組建了研究團隊，搭建起8至12英寸相變存儲研發平台，並建立了一套完整的晶片開發組織和技術推進管理制度。

2011年8月31日，首次完成我國第一批基於8Mb相變存儲器的產品晶片。

目前由該所研發的國際領先的嵌入式相變存儲器現已成功應用在印表機領域，並實現千萬量級市場化銷售。

中科院微電子所集成電路先導工藝研發中心研究員趙超與北京航空航天大學教授趙巍勝的聯合團隊通過3年的艱苦攻關，在STT－MRAM關鍵工藝技術研究上實現了重要突破，在國內首次採用可兼容CMOS工藝成功製備出直徑80nm磁隧道結，器件性能良好，其中器件核心參數包括隧穿磁阻效應達到92％，可實現純電流翻轉且電流密度達到國際領先水平。

我國目前有兩家MRAM公司，上海磁宇以及中電海康。

今年一月，中電海康位於臨安的存儲晶片MRAM研發及小規模試產中試基地專案開工，投資金額為13億人民幣，占地50畝，計劃今年9月投用；中試運營成功穩定後，將彌補國內在新一代存儲晶片MRAM領域產業化的空白。

小結：磁變存儲器（MRAM）等下一代存儲器，雖然短期內不太可能取代現有的存儲器，但我們在這些技術研發上再不能錯過機遇。

我國已在下一代技術存儲器的戰略布局，使得我們未來可以參與到新一代存儲器競爭行列中，避免國外廠商的全面壟斷。

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