AI芯片技术路线迎来重大变革，MARM技术引发业内关注

随着生成式AI的兴起,对大量内存的需求在数据中心中迅速增加,而MRAM(自旋转移矩阵存储器)作为一种非易失性内存,在高速读写性能的同时能够在断电情况下保存数据,且耗电量较低,因而成为备受关注的对象。

一、存储技术目前情况

存储技术发展更迭50年,逐渐形成了SRAM、DRAM及Flash这三大主要领域。但是随着半导体制造技术持续朝更小的技术节点迈进,传统的DRAM和NAND Flash开始面临越来越严峻的微缩挑战;再加上由于这些存储技术与逻辑计算单元之间发展速度的失配,严重制约了计算性能和能效的进一步提升。因此,业界开始对新型存储技术寄予厚望,越来越多的新型技术迅速涌现。目前主流的新型存储器主要包括四种:阻变存储器(ReRAM/RRAM),相变存储器(PCRAM),铁电存储器(FeRAM/FRAM),磁性存储器(MRAM)。其中MRAM正在成为当下主流的新型存储技术,并且有专家预言,MRAM将带来下一波的存储浪潮。

(一)MRAM的特点

MRAM是一种兼具DRAM和Flash特点的存储介质,以下是MRAM的一些具体特质。

非易失:铁磁体的磁性不会由于断电而消失,故MRAM具备非易失性。读写次数无限:铁磁体的磁性不仅断电不会消失,而是几乎可以认为永不消失,故MRAM和DRAM一样可以无限次重写。

写入速度快、功耗低:MRAM的写入时间可低至2.3ns,并且功耗极低,可实现瞬间开关机并能延长便携机的电池使用时间。

和逻辑芯片整合度高:MRAM的单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中,只需在后端的金属化过程增加一两步需要光刻掩模版的工艺即可。再加上MRAM单元可以完全制作在芯片的金属层中,甚至可以实现2~3层单元叠放,故具备在逻辑电路上构造大规模内存阵列的潜力。

(二)和其他存储相比,MRAM强在哪儿?

与SRAM相比,MRAM速度稍慢,但MRAM在速度上仍然具有足够的竞争力,此外SRAM的设计更复杂,MRAM的密度更高,以及MRAM是非易失性的,而SRAM是易失性的,断电就会丢失数据,MRAM则不会面临这种困扰。

与 DRAM相比,由于DRAM需要电容器充电/放电来完成读写,所以MRAM的读/写速度更快,在密度上MRAM和DRAM相似,但DRAM也是一种易失性存储器。此外,MRAM的单元泄漏较低;与经常刷新数据的DRAM相比,MRAM的电压要求也比较低。

与Flash相比,MRAM 与Flash同样是非易失性的,但是MRAM在耐高温、数据保存,尤其是操作耐久度上,优于Flash。要知道MRAM具备写入和读取速度相同的优点,并具有承受无限多次读写循环的能力。

与ReRAM相比,ReRAM随机读写速度优于传统存储器,但要慢于MRAM和FRAM;同时ReRAM的读写次数约在100万次左右,较传统存储器有数量级的增加,但少于MRAM的读写次数;其中密度和相应的成本是ReRAM的最大优势;从成本方面看,MRAM由于材料的复杂性、密度瓶颈、抗磁干扰等难点,其成本会较高。

与FeRAM相比,MRAM与其性能较为类似,但FeRAM的读写速度要优于MRAM,且可以保持较低的功耗,FRAM的劣势则在于,其成本比MRAM还要高,所以它可以应用于一些非常特殊的市场。

PCRAM也是未来十年内最具潜力的新型存储技术之一。PCRAM 具有容量大、集成度高、速度快、功能低和成本低等优点,特别是与新型 CMOS 工艺兼容。不过PCRAM也存在着一些明显不足之处,特别是写操作速度无法与DRAM相媲美,写耐久性也与DRAM相差较大等。写耐久性差是将其大规模应用于计算机系统所面临的主要障碍之一,目前国内外研究人员正在研究一些解决方案来应对。就目前来说,PCRAM的商业化程度还没有MRAM高。

二、MRAM是AI存储发展趋势,力积电三星均重仓布局

力积电计划与日本企业Power Spin合作,目标在2029年实现MRAM内存的量产。Power Spin将提供MRAM相关IP授权,而力积电则负责进一步的量产研发和试产,以推动这一新型内存的普及。

Power Spin是由日本东北大学于2019年成立,拥有STT-MRAM相关技术。MRAM内存的特点是非易失性,高速读写,以及理论上可降低至现有内存的1/100的耗电量。然而,MRAM也面临成本高和耐用性等问题。在AI浪潮下,数据中心对大量内存的需求增加,因此MRAM成为备受关注的技术。

力积电计划使用在日合资公司的二期生产线生产MRAM内存,力图推动这一新型内存的普及。这个合资公司由力积电与日本SBI控股于去年成立,总投资达8000亿日元,首期计划于2027年建成投产,而二期则预计在2029年投入使用。此举显示了力积电在MRAM领域的雄心和布局。

除了力积电,三星也在布局下一代存储技术,计划于2026年量产8nm车用eMRAM。此外,台积电近期宣布下一代SOT-MRAM内存研发成功。MRAM内存市场规模已于2022年达到300亿日元,表明该技术在半导体代工业界备受瞩目。

在全球范围内,半导体大厂纷纷投入研究力量,布局相关技术开发,以满足快速读写、低耗电、断电后不会遗失资料的前瞻记忆体储存技术需求。

台湾半导体产业也在积极支持相关研究,如台湾实验研究院与台积电合作的“选择器元件与自旋转移力矩式磁性记忆体整合”技术。这一技术在IEDM(International Electron Devices Meeting)中发表,并被选为Highlight Paper,成为成功开发高密度、高容量STT-MRAM制作技术的团队之一。

MRAM技术的发展不仅在硬件制造领域有所突破,同时在应用领域也有着广泛的前景。在汽车、工业、军事和航天等领域,MRAM因其抵抗高辐射、在极端温度条件下工作以及防篡改等特点,具有广泛的应用前景。在工业应用中,MRAM的快速写入能力和非易失性存储使其成为理想的选择。

三、MRAM的主要应用市场

MRAM在边缘方面展现出独特的优势。边缘计算在工业物联网、机器人、可穿戴设备、人工智能、汽车以及便携式设计等领域的应用正在不断增长。伴随着这些增长的是大家对高速、低延迟、非易失性、低功耗、低成本内存(用于程序存储和数据备份)的需求。虽然有许多可用方案,包括 SRAM、DRAM、闪存等,但这些技术都需要在一个或多个领域进行权衡,这对于边缘计算来说,它们似乎都不太适合。MRAM 将数据存储在磁存储单元中,提供真正的随机访问,并允许在内存中随机读写。此外,MRAM 结构和操作具有低延迟、低泄漏、高写入周期数和高保持率等特点,而这些恰恰都是边缘计算非常需要的。此外,MRAM是实现存算一体的理想存储器之一。到目前为止,多种存储器介质被研究用于构建存算一体系统。SRAM和DRAM是易失性器件,频繁的刷新并不利于降低功耗。而Flash虽然是非易失性的,但是随着读写次数增加,浮栅氧化层会逐渐失效,反复读写可靠性很低。因此,各种基于电阻改变的新型存储器是实现存算一体的有效载体。MRAM则是基于对电子“自旋”的控制,可以达到理论上的零静态功耗,同时具有高速和非易失性以及近乎无限的写入次数。MRAM在速度、耐久性、功耗这些方面具有不可替代的优越性。因此,MRAM是实现存算一体的理想存储器之一。

四、资本瞄准MRAM加注,全球国内MRAM新兴势力

据全球半导体观察不完全统计,包括致真存储、亘存科技、驰拓科技等布局MRAM的企业获得资本投资:致真存储完成数千万元Pre-A轮融资;驰拓科技获得B轮融资;亘存科技获得新一轮融资;凌存科技获pre-A轮融资。

2023年8月,致真存储自主研发的128Kb SOT-MRAM 芯片成功下线,是继1Kb SOT-MRAM流片成功后又一个重要的新一代磁存储技术工艺研制里程碑,围绕自旋轨道矩材料、磁性隧道结图案化、专用电路设计等实现多处技术突破;

亘存科技针对边缘侧、端侧的智能化需求,围绕“存储-计算-控制”布局“独立式MRAM存储芯片”和包含嵌入式MRAM的“AI SoC芯片”两条核心产品线,为消费、工业、物联网、汽车等领域的客户提供具备竞争力的高能效、智能化单芯片系列解决方案。其中,AI SoC的“超低功耗”版本运行功耗低至5uA/MHz,达到国际一流水平,可为广大电池供电的应用场景提供高性价比方案;国内科创板上市公司聚辰半导体(688123.SH)于2019年完成了对MRAM技术企业亘存科技的融资领投,成为国内一家专注于MRAM技术的Fabless企业。

凌存科技已成功开发出世界首款高速、高密度、低功耗的存储器MeRAM原型机和基于MeRAM的真随机数发生器,其开发的高性能存储芯片广泛应用于车载电子、高性能运算、安全等领域,其还将存储介质、集成电路、系统及相关专利授权给有高效性运算以及安全芯片需求的公司自行开发相关产品;

磁宇信息是拥有pSTT-MRAM专用12寸薄膜制造/测试设备和pSTT-MRAM专用12寸刻蚀设备的公司,国外MRAM主要应用在固态硬盘内,实现固态硬盘性能大幅度提升,这也是磁宇信息产品的起点;

驰拓科技也已经有客户进行了量产,为嵌入式非易失性存储,用于MCU/SOC和慢速SRAM;

珠海兴芯存储(珠海南北极科技全资子公司)NV-RAM规格的MRAM技术,是国内第一家达到此规格的厂商,未来量产后可取代目前市场上由外商供应昂贵的FRAM、电源供应SRAM(BatteryBackup SRAM),NVSRAM;

中国科学院物理研究所团队则研制了一种磁矩闭合型纳米环状磁性隧道结,作为存储单元的新型MRAM原型器件。

综合来看,MRAM技术在硬件制造、应用领域都取得了显著进展,未来有望逐步替代部分NOR闪存和SRAM,甚至在几年内取代部分DRAM。随着MRAM技术的不断成熟和广泛应用,预计它将在塑造各行业未来计算方面发挥关键作用。MRAM市场爆发势头迅猛,预计到2031年价值将达191.893亿美元,复合年增长率达36.6%,为整个半导体行业带来新的增长动能。