嵌入式存儲器是邏輯工藝中不可或缺的一環,過去卻往往讓人忽略。但是邏輯工藝推進日益艱辛,嵌入式存儲器工藝推進的難處全浮上臺面。主要是存儲器與主要的CMOS工藝差距甚大,而單獨(stand alone)的存儲器與嵌入式存儲器的工藝又不盡相同,無可借力,因此發展額外吃力。
但是正因為嵌入式存儲器發展遲緩,它在芯片上面積的占比越來越高,引起注意。先是eFlash,eFlash當然是NOR Flash,是微處理器、微控制器中通常用來儲存程序碼的地方。到了40nm/28nm,有些應用中eFlash面積可能占芯片面積的30%,快要反客為主了。而20nm以下,eFlash的微縮更加困難-事實上,獨立的NOR Flash現在最先進工藝也不過45nm。兼之工藝復雜,eFlash工藝要于原本邏輯工藝上外加9~12道光罩,寫入速度緩慢,又不耐久,需要替代工藝。
大部分代工廠在28nm這一技術節點,普遍都提出eMRAM此一菜單。eMRAM的工藝和MRAM相似,加在邏輯工藝中只需額外3道光罩,面積大概在50平方特征尺寸(feature size),速度快又耐用,資料存留10年,替代的理所當然。
eDRAM在40nm以下原來已被放棄,但在「全空乏絕緣上覆矽」(Fully Depleted Silicon On Insulator;FD-SOI)技術出來后似有復起之勢,用來替代邏輯線路中部分的SRAM,降低面積和功耗。但是獨立DRAM工藝推進已十分吃力,至十幾nm已經非常艱困,而它的電容器因底面積縮小必須堆高以維持一定電容,這個與周遭的邏輯工藝格格不入,MRAM此時又出來救援。
MRAM的刻板印象是永久存儲器,但是若愿意降低其資料存留時間,則其寫入時間可以加快、寫入電流降低,這就活生像DRAM了。事實上,在eMRAM的寫入速度降到如DRAM的10ns時,其資料存留時間還有將近1天,也就是說eMRAM不必像DRAM時時需要資料更新(refresh),因此同時節省大量更新電流所造成的功耗。5~7nm的世代,以eMRAM來做為中央處理器的L3高速緩存(cache)已經近乎定案。
SRAM的問題最棘手。目前有些SoC中的SRAM已占芯片面積50%以上,而且情況持續惡化之中。16nm FINFET工藝中SRAM的單元面積約為275平方特征尺寸,預計到3nm時單元面積成長至約為675平方特征尺寸,在芯片面積中的占比會更高。這里面有一部分的問題因為以eMRAM來做為L3高速緩存得到緩解,但是eMRAM的寫入速度能不能再高?寫入電流能不能再降?這是eMRAM能不能邁向取代L2高速緩存的關鍵。這個問題,我持審慎樂觀的態度。
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原文標題:【名家專欄】嵌入式記憶體的救贖-MRAM
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