進(jìn)入10nm工藝制程之后，摩爾定律似乎失效了，處理器性能翻一倍所需時(shí)間由原來的兩年延至三年，半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到了技術(shù)瓶頸。而以MRAM為代表的自旋芯片卻在快速發(fā)展，在后摩爾時(shí)代，自旋芯片有可能突破微電子器件的限制，成為主流芯片嗎？

自旋芯片熱

自旋芯片具有高集成化、低功耗、高速度、高靈敏度、防輻射等優(yōu)點(diǎn)，可將信息獲取、傳遞、處理、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合在一起，具有巨大的市場(chǎng)前景。據(jù)介紹，傳感器芯片、磁電信號(hào)耦合芯片、磁性邏輯及磁隨機(jī)存儲(chǔ)芯片等自旋芯片市場(chǎng)規(guī)模有望超過1000億美元。

面對(duì)巨大的市場(chǎng)空間，全球掀起了以MRAM為代表的自旋芯片研發(fā)熱潮。三星、SK海力士、美光、格羅方德、Freescale、IBM、英飛凌、TDK、東芝、索尼、瑞薩等眾多海外高科技企業(yè)紛紛涌入，杭州馳拓、上海磁宇、中芯國(guó)際等國(guó)內(nèi)企業(yè)也在積極布局，開展相關(guān)研究及產(chǎn)業(yè)化工作。

其中一些企業(yè)已經(jīng)取得了產(chǎn)業(yè)化成果。三星2019年開始量產(chǎn)28nm嵌入式MRAM，未來兩三年內(nèi)將進(jìn)入更大規(guī)模量產(chǎn)。不甘落后的SK海力士、英特爾、格芯也掌握了22nm嵌入式MRAM的量產(chǎn)工藝。MRAM正成為存儲(chǔ)芯片巨頭爭(zhēng)奪的新高地。

中國(guó)企業(yè)在自旋芯片領(lǐng)域也有一些成績(jī)。2017年，北京航空航天大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院微電子研究所聯(lián)合成功制備國(guó)內(nèi)首個(gè)80nm STT-MRAM器件。2018年，杭州馳拓、上海磁宇、中芯國(guó)際、華為等籌建自旋芯片的研發(fā)、生產(chǎn)線。2020年，臺(tái)積電在ISSCC 2020上呈現(xiàn)了基于ULL 22nm CMOS工藝的32Mb嵌入式STT-MRAM。長(zhǎng)江存儲(chǔ)、長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)、兆易創(chuàng)新自旋芯片處于前期研發(fā)階段，沒有進(jìn)入量產(chǎn)。賽迪智庫(kù)集成電路研究所黃陽(yáng)棋博士表示，中國(guó)自旋芯片產(chǎn)業(yè)與國(guó)外差距較大，目前尚無商用自旋芯片出貨，全球MRAM專利申請(qǐng)前50均為國(guó)外機(jī)構(gòu)或個(gè)人。

存諸多挑戰(zhàn)

自旋芯片中的MRAM（磁隨機(jī)存儲(chǔ)器）共經(jīng)歷了MRAM、STT-MRAM、MeRAM等三個(gè)發(fā)展階段。北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)趙巍勝表示，目前，MRAM、STT-MRAM已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，其中MRAM在航天航空領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，STT-MRAM也實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但是仍臨著材料、器件制備、電路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)級(jí)整合等方面的挑戰(zhàn)。

STT-MRAM器件制備過程中具有諸多技術(shù)難點(diǎn)。魯汶儀器一員工表示，STT-MRAM可兼容現(xiàn)有的CMOS制造技術(shù)和工藝，但是其磁性材料蝕刻時(shí)，鈷鐵硼薄膜等磁性材料刻蝕時(shí)不易揮發(fā)，可能沉積在晶圓上，產(chǎn)生黏物，導(dǎo)致STT-MRAM短路。蝕刻后ST-MRAM兩層絕緣的氧化鎂可能會(huì)與空氣中的水氧、二氧化碳反應(yīng)使ST-MRAM改性。

STT-MRAM芯片設(shè)計(jì)同樣是一道坎。STT-MRAM芯片設(shè)計(jì)時(shí)需要在存儲(chǔ)單元的熱穩(wěn)定性和翻轉(zhuǎn)電流閾值兩者之間進(jìn)行權(quán)衡，讓STT－MRAM存儲(chǔ)單元的電流密度降低，并保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的熱穩(wěn)定性。

STT-MRAM芯片還需要平衡電流、MTJ以及誤碼率等三者的關(guān)系。從結(jié)構(gòu)上看，STT-MRAM存儲(chǔ)單元的核心是一個(gè)MTJ，其中MTJ是由兩層不同厚度的鐵磁層及一層幾個(gè)納米厚的非磁性隔離層組成，并通過自旋電流實(shí)現(xiàn)信息寫入。隨著存儲(chǔ)單元尺寸的減小，信息寫入就需要更大的電流。更大的電流將增加功耗，限制寫入信息的速度。

此外，目前，STT-MRAM良率不高，產(chǎn)能不大，導(dǎo)致單個(gè)STT-MRAM器件價(jià)格非常高，難以進(jìn)入消費(fèi)級(jí)應(yīng)用市場(chǎng)。

能否成主流？

雖然MRAM存在諸多挑戰(zhàn)，但是MRAM與其他類型存儲(chǔ)器相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。閃存具有非揮發(fā)、可擦寫優(yōu)點(diǎn)，但是讀寫速度太慢；動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)（DRAM）具有高速讀寫、高密度優(yōu)勢(shì)，但是功耗較高；靜態(tài)存儲(chǔ)（SRAM）具有高速讀寫、低功耗優(yōu)點(diǎn)，但是成本較高；只讀存儲(chǔ)器（ROM）具有非揮發(fā)優(yōu)點(diǎn)，但是不可擦寫；隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）具有可擦寫優(yōu)點(diǎn)，但是易揮發(fā)。而自旋式磁存儲(chǔ)器（STT-MRAM）集中了Flash和RAM的優(yōu)點(diǎn)，具有非揮發(fā)、讀寫快、低功耗、無限次擦寫、成本低于SRAM等優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)科學(xué)院院士，南京大學(xué)物理系教授、博士生導(dǎo)師都有為認(rèn)為，自旋芯片兼具SRAM的高速度、DRAM的高密度和Flash的非易失性等優(yōu)點(diǎn)，其抗輻射性被軍方所青睞，原則上可取代各類存儲(chǔ)器的應(yīng)用，成為未來的通用存儲(chǔ)器。

魯汶儀器一員工指出，目前，MRAM主要在軍工、大數(shù)據(jù)高性能存儲(chǔ)等領(lǐng)域有一些應(yīng)用，但是隨著工藝成熟，成本的降低，MRAM有機(jī)會(huì)取代DRAM。

實(shí)際上，在DRAM、 Flash發(fā)展過程中，一直有人認(rèn)為有其他存儲(chǔ)芯片技術(shù)可以取代DRAM、 Flash，但是都沒有成功。趙巍勝指出，DRAM、 Flash會(huì)隨著新技術(shù)的引入不斷發(fā)展，例如，DRAM技術(shù)因?yàn)镋UV光刻機(jī)的使用得以進(jìn)步。目前MRAM雖然擁有IoT、車載、航空航天等特定應(yīng)用場(chǎng)景，但是能否成為大綜產(chǎn)品尚有疑問。

黃陽(yáng)棋也認(rèn)為，當(dāng)前的計(jì)算架構(gòu)下MRAM不會(huì)成為主流。因?yàn)樵诋?dāng)前的計(jì)算架構(gòu)下，邏輯和存儲(chǔ)處于分離狀態(tài)，現(xiàn)有的晶體管技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)幾個(gè)納米制程，包含數(shù)十億個(gè)晶體管的邏輯電路，同時(shí)現(xiàn)有的存儲(chǔ)能夠以足夠低的成本做到TB量級(jí)。在邏輯或者存儲(chǔ)方面，自旋芯片都無法替代現(xiàn)有的主流芯片，只能應(yīng)用于某些特定需求的領(lǐng)域。
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