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2020年11月18日 | 后摩尔时代，自旋芯片可否成主流芯片？
2020-11-18 来源：爱集微
进入10nm工艺制程之后，摩尔定律似乎失效了，处理器性能翻一倍所需时间由原来的两年延至三年，半导体芯片产业发展遇到了技术瓶颈。而以MRAM为代表的自旋芯片却在快速发展，在后摩尔时代，自旋芯片有可能突破微电子器件的限制，成为主流芯片吗？
自旋芯片热
自旋芯片具有高集成化、低功耗、高速度、高灵敏度、防辐射等优点，可将信息获取、传递、处理、存储等环节有机地结合在一起，具有巨大的市场前景。据介绍，传感器芯片、磁电信号耦合芯片、磁性逻辑及磁随机存储芯片等自旋芯片市场规模有望超过1000亿美元。
面对巨大的市场空间，全球掀起了以MRAM为代表的自旋芯片研发热潮。三星、SK海力士、美光、格罗方德、Freescale、IBM、英飞凌、TDK、东芝、索尼、瑞萨等众多海外高科技企业纷纷涌入，杭州驰拓、上海磁宇、中芯国际等国内企业也在积极布局，开展相关研究及产业化工作。
其中一些企业已经取得了产业化成果。三星2019年开始量产28nm嵌入式MRAM，未来两三年内将进入更大规模量产。不甘落后的SK海力士、英特尔、格芯也掌握了22nm嵌入式MRAM的量产工艺。MRAM正成为存储芯片巨头争夺的新高地。
中国企业在自旋芯片领域也有一些成绩。2017年，北京航空航天大学与中国科学院微电子研究所联合成功制备国内首个80nm STT-MRAM器件。2018年，杭州驰拓、上海磁宇、中芯国际、华为等筹建自旋芯片的研发、生产线。2020年，台积电在ISSCC 2020上呈现了基于ULL 22nm CMOS工艺的32Mb嵌入式STT-MRAM。长江存储、长鑫存储、兆易创新自旋芯片处于前期研发阶段，没有进入量产。赛迪智库集成电路研究所黄阳棋博士表示，中国自旋芯片产业与国外差距较大，目前尚无商用自旋芯片出货，全球MRAM专利申请前50均为国外机构或个人。
存诸多挑战
自旋芯片中的MRAM（磁随机存储器）共经历了MRAM、STT-MRAM、MeRAM等三个发展阶段。北京航空航天大学集成电路科学与工程学院院长赵巍胜表示，目前，MRAM、STT-MRAM已经产业化，其中MRAM在航天航空领域具有广泛的应用，STT-MRAM也实现量产，但是仍临着材料、器件制备、电路设计及系统级整合等方面的挑战。
STT-MRAM器件制备过程中具有诸多技术难点。鲁汶仪器一员工表示，STT-MRAM可兼容现有的CMOS制造技术和工艺，但是其磁性材料蚀刻时，钴铁硼薄膜等磁性材料刻蚀时不易挥发，可能沉积在晶圆上，产生黏物，导致STT-MRAM短路。蚀刻后ST-MRAM两层绝缘的氧化镁可能会与空气中的水氧、二氧化碳反应使ST-MRAM改性。
STT-MRAM芯片设计同样是一道坎。STT-MRAM芯片设计时需要在存储单元的热稳定性和翻转电流阈值两者之间进行权衡，让STT－MRAM存储单元的电流密度降低，并保持数据存储的热稳定性。
STT-MRAM芯片还需要平衡电流、MTJ以及误码率等三者的关系。从结构上看，STT-MRAM存储单元的核心是一个MTJ，其中MTJ是由两层不同厚度的铁磁层及一层几个纳米厚的非磁性隔离层组成，并通过自旋电流实现信息写入。随着存储单元尺寸的减小，信息写入就需要更大的电流。更大的电流将增加功耗，限制写入信息的速度。
此外，目前，STT-MRAM良率不高，产能不大，导致单个STT-MRAM器件价格非常高，难以进入消费级应用市场。
能否成主流？
虽然MRAM存在诸多挑战，但是MRAM与其他类型存储器相比具有明显优势。闪存具有非挥发、可擦写优点，但是读写速度太慢；动态存储（DRAM）具有高速读写、高密度优势，但是功耗较高；静态存储（SRAM）具有高速读写、低功耗优点，但是成本较高；只读存储器（ROM）具有非挥发优点，但是不可擦写；随机读写存储器（RAM）具有可擦写优点，但是易挥发。而自旋式磁存储器（STT-MRAM）集中了Flash和RAM的优点，具有非挥发、读写快、低功耗、无限次擦写、成本低于SRAM等优势。
中国科学院院士，南京大学物理系教授、博士生导师都有为认为，自旋芯片兼具SRAM的高速度、DRAM的高密度和Flash的非易失性等优点，其抗辐射性被军方所青睐，原则上可取代各类存储器的应用，成为未来的通用存储器。
鲁汶仪器一员工指出，目前，MRAM主要在军工、大数据高性能存储等领域有一些应用，但是随着工艺成熟，成本的降低，MRAM有机会取代DRAM。
实际上，在DRAM、 Flash发展过程中，一直有人认为有其他存储芯片技术可以取代DRAM、 Flash，但是都没有成功。赵巍胜指出，DRAM、 Flash会随着新技术的引入不断发展，例如，DRAM技术因为EUV光刻机的使用得以进步。目前MRAM虽然拥有IoT、车载、航空航天等特定应用场景，但是能否成为大综产品尚有疑问。
黄阳棋也认为，当前的计算架构下MRAM不会成为主流。因为在当前的计算架构下，逻辑和存储处于分离状态，现有的晶体管技术已经能够实现几个纳米制程，包含数十亿个晶体管的逻辑电路，同时现有的存储能够以足够低的成本做到TB量级。在逻辑或者存储方面，自旋芯片都无法替代现有的主流芯片，只能应用于某些特定需求的领域。
史海拾趣
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