新型自旋轉移矩磁性隨機存儲器：寫入速度達14納秒！

科技 12-29

導讀

近日，日本東北大學的科研團隊成功開發出存儲密度達128Mb的自旋轉移矩-磁性隨機存儲器（STT-MRAM），寫入速度達14納秒，可作為物聯網和人工智慧中用到的緩存使用。它是目前世界上存儲密度超過100Mb的嵌入式存儲器中寫入速度最快的。

背景

人類正處於一個「信息大爆炸」的時代。我們平時使用的計算機與電子產品都需要處理大量的信息，那麼這些信息（程序與數據）會放在哪裡呢？

答案是：存儲器（Memory）。存儲器是每一個計算機系統、存儲方案與移動設備都在使用的關鍵部件之一。

新型自旋轉移矩磁性隨機存儲器：寫入速度達14納秒！

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（圖片來源：IBM研究院）

目前，主流的存儲器以隨機存取存儲器（RAM）與快閃記憶體（Flash）為代表。RAM 的讀寫速度快，但無法長時間儲存數據，斷電時將丟失其存儲的數據，具有「易失性」；Flash 能保存數據，在斷電條件下也能長久保持數據，具有「非易失性」，但讀寫速度卻不佳。

近些年，新興的移動計算、雲計算、大型數據中心等，對存儲技術都提出了越來越高的要求，例如容量高、速度快、功耗低。

因此，科學家們希望將 RAM 的速度與 Flash 的非易失性結合起來，探索研發新一代存儲器，例如磁性隨機存儲器(MRAM)、阻變式隨機存器(RRAM)。

作為 MRAM 的二代產品，自旋轉移矩-磁性隨機存儲器（STT-MRAM）近來備受關注。

什麼是 STT-MRAM？

在 STT-MRAM 中，電子的自旋會通過自旋極化電流快速翻轉。這種效應是在「磁隧道結(MTJ)」或者「自旋閥」中實現的，STT-MRAM 採用 STT 隧道結（STT-MTJ）。電流流過磁性層時將被極化，形成自旋極化電流。自旋電子將自旋動量傳遞給自由層的磁矩，使自旋磁性層的磁矩獲得自旋動量後改變方向，這個過程稱為自旋傳輸矩。因此，STT-MRAM 是通過自旋電流實現信息寫入的。

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（圖片來源：參考資料【2】）

STT-MRAM 中的數據以磁狀態存儲，具有天然的抗輻照、高可靠性以及幾乎無限的讀寫次數。與 DRAM 不同，STT-MRAM 不需要功率刷新，而且讀出過程也不會破壞所存儲的數據，從而在系統級實現了低功耗與低延遲。與現有的 NAND Flash 相比，寫入速度快上10萬倍，而讀取速度則快上接近10倍。而且，STT-MRAM 運行時只需少量電力，不使用時完全不需要電力。

作為下一代存儲技術，STT-MRAM 晶元的尺寸顯著縮小，讀寫速度卻大大提升。因此，它特別適合用於移動設備中的嵌入式存儲器。特別是，如今物聯網與人工智慧技術迅猛發展，STT-MRAM 有望發揮更大的作用。

目前，GlobalFoundries、三星(Samsung)、台積電(TSMC)、聯電(UMC)等大型半導體製造工廠都在積極推動 STT-MRAM 走向批量生產。

創新

近日，日本東北大學教授 Tetsuo Endoh 領導的科研團隊成功開發出存儲密度達128Mb的 STT-MRAM，寫入速度達14納秒，可作為嵌入式存儲器使用，例如物聯網和人工智慧中所用的緩存。它是目前世界上存儲密度高於100Mb的嵌入式存儲器中寫入速度最快的，並且將為大容量 STT-MRAM 的量產鋪平道路。

新型自旋轉移矩磁性隨機存儲器：寫入速度達14納秒！

（圖片來源：東北大學）

技術

STT-MRAM 目前的容量範圍是在 8Mb~40Mb。但是為了讓 STT-MRAM 變得更加實用，有必要增加其存儲密度。創新集成電子系統中心（CIES）的團隊展開了集中開發，用 CMOS 技術將磁性隧道結（MTJs）集成在 STT-MRAM 中，提升 STT-MRAM 的存儲密度。這樣也將顯著降低以緩存與嵌入式快閃記憶體為代表的嵌入式存儲器的功耗。

磁性隧道結可通過一系列工藝開發來進行小型化處理。為了減小更高密度的 STT-MRAM 所需的存儲器尺寸，磁性隧道結可直接通過孔洞來成形加工，這些孔洞就是一些使半導體器件各層之間進行導電連接的小開口。通過採用尺寸縮小的存儲單元，研究小組設計出了存儲密度達128Mb 的自旋轉移矩-磁隨機存儲器，並製造出了晶元。

如下圖所示：(a）存儲密度達128Mb的 STT-MRAM 模型圖像 (b) 寫入速度與電源電壓之間的 Shmoo 圖，它展示了在每個速度與電壓下，測量到的操作比特率的彩色等級。

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