Помимо многих замечательных качеств, главными из которых являются устойчивость к перезаписи и длительное время удержания данных, магниторезистивная память отличается также устойчивостью к радиационному облучению. Последнее открыло перед памятью MRAM дорогу в небо и космос. Шесть лет сотрудничества компании Everspin с производителем электроники для аэрокосмической отрасли компанией CAES подтверждает это лучше всего.

Компания Cobham Advanced Electronic Solutions (CAES) представила доклад по использованию памяти MRAM в условиях повышенного радиационного фона. Согласно данным CAES, чипы магниторезистивной памяти разработки компании Everspin выдерживают излучение до 1 Мрад без спонтанного появления ошибок в ячейках памяти, пробоев и случайных переключений значений (показатели SEU, SEL и SEGR).

Кроме высокой устойчивости к радиации память MRAM по технологии Everspin в виде 16-Мбит микросхем и 64-Мбит многочиповых сборок характеризуется практически неограниченным числом циклов перезаписи. На деле, конечно, это не так. Но память MRAM позволяет перезаписывать данные более 20 лет, что в среднем дольше, чем длятся космические миссии, а значит, память переживёт время жизни космического аппарата и не важно, как много раз она могла бы быть переписанной после выхода его из строя.

Также опытная эксплуатация и экстраполяция результатов даёт понять, что данные в памяти MRAM могут без изменения храниться свыше 20 лет при температуре в диапазоне от –40 °C +105 °C. Следует отметить, что речь идёт о микросхемах MRAM с технологическими нормами 180 нм, которые по заказу CAES выпускает компания TSMC. Для ячейки MRAM с меньшими технологическими нормами эти характеристики могут быть несколько хуже.

Клиентами CAES на память MRAM являются около 70 компаний, которые создали 144 разработки на основе этой технологии хранения данных. Для всех них и для индустрии было бы желательно повысить плотность записи в чипах MRAM. Это позволит новая технология STT-MRAM с записью в ячейку с помощью переноса момента спина электронов. Компания Everspin на линиях GlobalFoundries начала выпуск 1-Гбит 28-нм чипов STT-MRAM и планирует снизить технологические нормы производства до 12 нм. Впрочем, памяти STT-MRAM ещё предстоит пройти проверку космосом.

Единственный в мире разработчик дискретных микросхем магниторезистивной памяти MRAM компания Everspin Technologies продолжает совершенствовать технологии производства. Сегодня Everspin и компания GlobalFoundries договорились вместе разработать технологию выпуска микросхем STT-MRAM с нормами 12 нм и транзисторами FinFET.

На счету компании Everspin свыше 650 патентов и приложений, связанных с памятью MRAM. Это память, запись в ячейку которой похожа на запись информации на магнитную пластину жёсткого диска. Только в случае микросхем каждая ячейка имеет свою (условно) магнитную головку. Пришедшая ей на смену память STT-MRAM на основе эффекта переноса спинового момента электрона работает с ещё меньшими энергетическими затратами, поскольку происходит с использованием меньших токов в режимах записи и чтения.

Первоначально память MRAM по заказам Everspin выпускала компания NXP на своём заводе в США. В 2014 году Everspin заключила договор о совместной работе с компанией GlobalFoundries. Вместе они начали разрабатывать техпроцессы производства дискретной и встроенной MRAM (STT-MRAM) с использованием более передовых техпроцессов.

Со временем на мощностях GlobalFoundries был налажен выпуск 40-нм и 28-нм чипов STT-MRAM (заканчивая новинкой ― 1-Гбит дискртеным чипом STT-MRAM), а также подготовлен техпроцесс 22FDX для интеграции массивов STT-MRAM в контроллеры с использованием 22-нм техпроцесса на пластинах FD-SOI. Новый договор Everspin и GlobalFoundries приведёт к переносу выпуска микросхем STT-MRAM на 12-нм техпроцесс.

Память MRAM по быстродействию приближается к памяти SRAM и потенциально может заменить её в контроллерах для Интернета вещей. При этом она энергонезависимая и намного устойчивее к износу, чем обычная память NAND. Переход на 12-нм нормы позволит увеличить плотность записи MRAM, а это её главный недостаток.

Перспективная энергонезависимая магниторезистивная память eMRAM сделала ещё один шаг по направлению к массовому рынку. Главным недостатком eMRAM считается сравнительно низкая плотность записи. Компенсировать это можно с помощью более тонких технологических норм, тогда как все остальные достоинства eMRAM сохраняются ― это устойчивость к износу, скорость и надёжность. И за этот новый шаг нужно поблагодарить компанию GlobalFoundries.

Информация в ячейке MRAM хранится в виде намагниченности слоёв

В четверг GlobalFoundries заявила, что её платформа 22FDX для выпуска полупроводников готова к производству решений со встроенной памятью eMRAM. Техпроцесс 22FDX подразумевает технологические нормы 22 нм на пластинах с полностью обеднённым кремнием на изоляторе (FD-SOI). Транзисторы в логике 22FDX всё ещё планарные и не используют вертикальных рёбер, как в случае транзисторов FinFET. Однако за счёт снижения утечек на пластинах FD-SOI скоростные и энергоэффективные характеристики планарных 22-нм транзисторов оказываются не хуже чем у 14/16-нм FinFET транзисторов.

Производством чипов со встроенной памятью eMRAM с использованием техпроцесса 22FDX будет заниматься завод GlobalFoundries в Дрездене, который обрабатывает кремниевые пластины диаметром 300 мм. Цифровые проекты контроллеров и другой логики со встроенной памятью eMRAM с нормами 22FDX клиенты компании предоставят в течение нескольких следующих месяцев. Тем самым можно ожидать, что массовое производство контроллеров со встроенными 22-нм блоками eMRAM начнётся до конца 2020 года (хотя оно ожидалось на год раньше).

До этого момента для выпуска чипов со встроенной памятью eMRAM будет использоваться техпроцесс с нормами 28 нм на пластинах SOI (обычный кремний на изоляторе). Такие решения выпускали компании GlobalFoundries, Samsung и NXP. Выгода от использования памяти eMRAM вместо встраиваемой памяти NAND-флеш в том, что память eMRAM выдерживает до 100 тыс. циклов перезаписи, тогда как память NAND может выдержать не более 30 тыс. циклов перезаписи. Также память eMRAM быстрее, поскольку она не требует операции по стиранию перед операцией записи в ячейку. Такая память станет находкой для автомобильной электроники и для устройств Интернета вещей.

Кроме компании Intel на конференции IEDM 2019 своими достижениями в области производства магниторезистивной памяти поделилась компания Samsung. За год, прошедший со времени проведения IEDM 2018, Intel увеличила опытный массив 22-нм eMRAM с 8 до 16 Мбит, тогда как Samsung совершила головокружительный прыжок от 8-Мбит массива к 1-Гбит (128 Мбайт). При этом Samsung использует для выпуска памяти STT-MRAM 28-нм техпроцесс на пластинах FD-SOI (из полностью обеднённого кремния на изоляторе).

Архитектура STT-MRAM Samsung

Ещё одна разница между разработками этих компаний заключается в том, что Intel позиционирует STT-MRAM (магниторезистивную память на эффекте переноса спина электронов) в качестве кеш-памяти четвёртого уровня. Такой памяти не нужно быть полностью энергонезависимой. Достаточно того, что время регенерации увеличено до десятков или сотен микросекунд. Массивы STT-MRAM компании Samsung ориентированы на долговременное хранение данных без подачи электричества. Это замена встраиваемой NAND в микроконтроллерах для хранения данных и выполнения программ.

Опытный выпуск 1-Гбит массивов STT-MRAM Samsung характеризуется высоким уровнем выхода годных ― свыше 90 %. Основные параметры массивов не изменились: площадь ячейки составляет 0,0364 мкм², что даже меньше, чем в случае ячейки Intel с применением 22-нм техпроцесса (0,0486 мкм²). Устойчивость к износу благодаря использованию ECC не меньше, чем 100 млн циклов стирания. Диаметр туннельного перехода составляет 38–45 нм. Структура ячейки предельно простая и хорошо масштабируется: один транзистор управляет одним туннельным переходом.

На сегодня встраиваемая память Samsung объёмом 1 Гбит представляется самым большим массивом подобного типа памяти, которая, при всём прочем, выпускается в виде прототипов. Можно ожидать, что в серийной продукции эта разработка появится в течение 2019 года. Контроллеры с 8-Мбит массивами STT-MRAM Samsung начала серийно выпускать с марта этого года.

Характеристики прототипа STT-MRAM Samsung

Отдельно заметим, что Samsung пока игнорирует тему производства дискретных чипов STT-MRAM. На основе подобной памяти можно выпускать энергонезависимые кеш-буферы для SSD и другие интересные продукты. Дискретные чипы STT-MRAM ёмкостью 1-Гбит выпускает только компания Everspin с использованием 28-нм техпроцесса на линиях GlobalFoundries. Если бы Samsung вышла на это поле, она могла бы всем утереть нос.

На днях в Сан-Франциско стартовала очередная годовая конференция International Electron Devices Meeting 2019. Среди многих интересных тем, поднятых на IEDM 2019, выделяется тема опытного производства магниторезистивной памяти STT-MRAM на эффекте переноса спина электрона. Свои достижения в области разработки энергонезависимой памяти следующего поколения представили компании Samsung, GlobalFoundries, TSMC и компания Intel. По мере появления новой информации мы будем раскрывать подробности с выступлений представителей компаний. Пока же мы вкратце сообщим о новом достижении Intel ― компания представила массив STT-MRAM для кеш-памяти L4.

Год назад на IEDM 2018 компания Intel рассказала о выпуске 7-Мбит массивов STT-MRAM с использованием техпроцесса с нормами 22 нм (22FFL). Новый опытный чип содержит массив STT-MRAM объёмом 2 Мбайт. Это память для встраиваемого применения, которая обещает заменить как традиционную встраиваемую NAND-флеш, так и память SRAM, если речь идёт об использовании STT-MRAM в качестве кеш-памяти процессоров и ускорителей. Впрочем, пока речь не идёт о процессорах. В Intel предлагают использовать встраиваемую STT-MRAM как кеш-память для ускорителей для задач ИИ и машинного обучения.

Представленный 22-нм 2-Мбайт блок STT-MRAM позволяет считывать данные со скоростью 4 нс и записывать их со скоростью 20 нс. Устойчивость ячеек к износу достигает 10¹². Время удержания данных всего 1 секунда при температуре 110 градусов по Цельсию. Для долговременной памяти это не подходит, но для кеш-памяти окажется достаточным. Экономия по потреблению всё равно будет значительная.

Пример строения ячейки STT-MRAM

Особенность производства памяти STT-MRAM компании Intel заключается в том, что для её выпуска достаточно не больше трёх фотошаблонов. Ячейки памяти на основе магнитных туннельных переходов изготавливаются в слое контактов и не занимают место на кристалле. На кристалле располагаются только управляющие ячейками транзисторы ― по одному транзистору на ячейку. Такие массивы хорошо масштабируются и намного плотнее, чем классическая память SRAM из 6 транзисторов на каждую ячейку.

Единственный крупный производитель магниторезистивной памяти Everspin Technologies сообщил о получении рекордной квартальной выручки от поставок микросхем энергонезависимой памяти типа STT-MRAM (Spin-transfer Torque MRAM). Микросхемы STT-MRAM объёмом 256 Мбит с использованием 40-нм техпроцесса для компании выпускают завод NXP Semi и фабрика GlobalFoundries. В августе GlobalFoundries начала выпуск 28-нм микросхем STT-MRAM ёмкостью 1 Гбит. Память 1 Гбит STT-MRAM успешно проходит квалификационные тесты у клиентов Everspin, и компания рассчитывает увидеть её в качестве основы для кеширующих накопителей на корпоративном рынке для хранения данных.

Совокупная выручка Everspin в третьем квартале 2019 календарного года составила $9,2 млн или на 6 % больше, чем в предыдущем втором квартале. Последовательному росту выручки до рекордной для компании отметки помогли поставки как 256-Мбит чипов STT-MRAM, так и 1-Гбит микросхем. Вероятно, на CES 2020 мы сможем увидеть какие-то новые и интересные решения на базе 1-Гбит чипов Everspin.

Также в третьем квартале Everspin расширила предложение в виде памяти MRAM с интерфейсом Toggle. Она удвоила ёмкость Toggle MRAM с 16 Мбит до 32 Мбит. Память Toggle MRAM это, если так можно сказать, классическая MRAM, тогда как STT-MRAM использует для записи ячеек эффект переноса спина электрона. Память Toggle MRAM используется взамен NOR-флеш в промышленном и транспортном оборудовании и отличается высочайшей надёжностью и устойчивостью к износу. Она может хранить данные свыше 20 лет и работать в условиях низких и высоких температур. В течение отчётного квартала, отметили в Everspin, продукты Toggle MRAM вернулись к росту.

В то же время компания Everspin всё ещё не может выйти на безубыточный уровень производства магниторезистивной памяти. Чистые убытки в третьем квартале составили $3,7 млн. Это меньше, чем в аналогичный квартал прошлого года, когда убытки достигли $5,6 млн. Во втором квартале текущего года убытки также равнялись $3,7 млн. В четвёртом квартале этого года Everspin рассчитывает выручить до $9,7 млн. Медленно, но верно.

Мало кто обратил внимание на новость прошедшего лета о поставках нового производственного оборудования компании Applied Materials. А новость эта знаковая. В ней сообщалось, что Applied Materials приступила к коммерческим поставкам установок по производству полупроводников с массивами памяти MRAM, ReRAM и PCRAM (иногда пишут PCM) на 300-мм кремниевых пластинах. Это первое в мире оборудование для производства перспективных видов памяти на пластинах наибольшего доступного в отрасли диаметра. Но какой из новых видов памяти станет наиболее массовым?

Модуль Perpendicular Magnetic Field Unit рядом с монетой в 1 евро

Память MRAM и PCRAM уже давно находится в производстве, но его объёмы сильно ограничены. Обе технологии не могут пока предложить плотность записи, сравнимую с NAND, поэтому они, как правило, идут на замену памяти типа NOR. Память NOR быстрее NAND, но также проигрывает ей в плотности записи. Зато NOR, MRAM и PCRAM востребованы для выпуска промышленного оборудования, в транспорте и авиации/космосе. Осталось спуститься на землю и выйти в люди. Новое оборудование Applied Materials будет способствовать такому развитию событий и, кстати, не только оно.

Как сообщается, другой производитель промышленного оборудования для выпуска полупроводников также решил делать ставку на MRAM. Компания Hprobe из французского Гренобля разработала модуль с мощным перпендикулярно направленным магнитным полем для промышленного тестирования пластин с памятью MRAM. Модуль Perpendicular Magnetic Field Unit может генерировать магнитное поле силой до 2 тесла без криогенного и даже жидкостного охлаждения. Сильное магнитное поле возбуждает тоннельные магнитные переходы в ячейках MRAM STT. Другое оборудование считывает возбуждение и строит кривые петель гистерезиса по каждому магнитному переходу, что позволяет тестировать блоки памяти на исправность.

Установка Hprobe для тестирования 300-мм пластин с памятью MRAM

Как утверждают разработчики, новый модуль значительно ускоряет процесс тестирования 300-мм пластин с памятью MRAM. Компания Hprobe уже приступила к поставкам оборудования клиентам и уверяет, что это поможет перевести выпуск магниторезистивной памяти на техпроцессы с нормами менее 20 нм. Сегодня, напомним, память MRAM выпускается с нормами 28 нм. Определённо, инициатива Hprobe сделает фундамент под MRAM ещё прочнее.

Компания Applied Materials ― один из ведущих поставщиков производственного оборудования для выпуска полупроводников ― начала поставлять передовые и уникальные машины для обработки кремниевых пластин. Это установки Endura Clover и Endura Impulse. Каждая из них представляет собой платформу с девятью независимыми камерами для помещения внутрь 300-мм кремниевых подложек (пластин). Все камеры способны удерживать максимально полный и чистый вакуум, в котором происходит последовательное осаждение рабочих материалов из газового состояния на кремниевую пластину.

Установка Applied Materials Endura Clover

Сами по себе камеры для осаждения материала из газовой среды не являются чем-то новым. Уникальность предложения Applied Materials в том, что камер для 300-мм пластин с возможностью депонирования материалов для массового выпуска новейших видов энергонезависимой памяти MRAM, ReRAM и PCRAM до сих пор не было. Установка Endura Clover позволяет выпускать магниторезистивную память MRAM, а установка Endura Impulse нацелена на производство магниторезистивной памяти ReRAM и памяти с изменяемым фазовым состоянием вещества PCRAM.

Платформа Endura Clover MRAM даёт возможность осаждать на кремниевые пластины до пяти независимых материалов на каждую из девяти камер. Изготовление памяти MRAM в современных условиях требует создания на пластине не менее 30 различных слоёв толщиной в доли нанометров с субатомарной точностью. Новая установка позволяет проводить подобные операции без риска опасных утечек в окружающую среду. Платформа Endura Impulse позволяет совершать подобные операции, но уже с учётом комбинации материалов, необходимых для производства памяти ReRAM и PCRAM. При этом каждая из платформ наделена системами диагностики процессов и продукции, что необходимо для массового производства.

Добавим, компания Applied Materials участвует в программе DARPA ERI по возрождению производства электроники в США. В рамках программы ERI компания занимается проблемами создания технологий для производства новых видов энергонезависимой памяти. Память MRAM, ReRAM и PCRAM должны повысить энергоэффективность процессов вычисления мобильных, встраиваемых и стационарных компьютерных систем, включая перенос вычислительных процессов в память. Как видим, она с этим неплохо справляется.

Для магниторезистивной памяти MRAM самым больным местом остаётся низкая плотность записи. Ячейки для хранения данных у MRAM довольно большие, а разработанная технология производства не позволяет сделать их меньше. И всё же прогресс на месте не стоит. Ведущий и едва ли не единственный поставщик коммерческих микросхем STT-MRAM компания Everspin сообщила о полностью успешном запуске пилотной линии по выпуску чипов STT-MRAM с вчетверо большей ёмкостью, чем до этого.

До сих пор Everspin массово выпускала 256-Мбит чипы с нормами 40 нм (на американском заводе NXP и на линиях GlobalFoundries). Новой продукцией стали 28-нм микросхемы STT-MRAM ёмкостью 1 Гбит. Пробные запуски новой пилотной линии, вероятно, на заводе GlobalFoundries, начались в конце прошлого года, а к массовому производству линии перейдут уже в третьем квартале.

Память STT-MRAM позволит выпускать SSD и кеширующие блоки для накопителей и интерфейсов с меньшими задержками и со значительно возросшей устойчивостью к износу. С учётом того, что производители умудрялись выпускать твердотельные накопители даже на 256-Мбит памяти, наверняка можно рассчитывать увидеть больше моделей SSD на 1-Гбит чипах STT-MRAM Everspin.

Кеширующий ускоритель nvNITRO Accelerator Card с 1 Гбайт бортовой памяти STT-MRAM

Для удобства перехода с NAND и DRAM (буферов) на память STT-MRAM микросхемы с магниторезистивной памятью вооружаются привычным 8-бит и 16-бит интерфейсом DDR4, совместимым со стандартом ST-DDR4 и в упаковке BGA. В компании Everspin сообщают об успешном прохождении квалификационных тестов новой памяти у клиентов и горды низким уровнем брака при производстве. Можно также рассчитывать, что в августе на саммите по теме флеш-памяти компания Everspin укажет следующую веху на пути развития памяти STT-MRAM. Будет интересно.

В среду в кампусе Giheung компании Samsung состоялась торжественная церемония, посвящённая первым массовым поставкам продуктов со встроенной памятью eMRAM (магниторезистивной RAM). Что это за продукты и какой объём eMRAM в составе поставляемых чипов, в Samsung не сообщили. Из того, что заявлено ― это использование техпроцесса с нормами 28 нм на пластинах FD-SOI (fully-depleted silicon-on-insulator). Такие пластины представляют собой очень тонкий слой полностью обеднённого кремния на изоляторе. За счёт подобной конструкции сильно снижаются паразитные токи утечки и растёт энергоэффективность.

Завод Samsung

Судя по всему, Samsung использует в производстве блоки eMRAM по 256 Мбит или 512 Мбит. Блоки eMRAM ёмкостью 1 Гбит компания будет выпускать не раньше, чем во второй половине текущего года. В пресс-релизе она уточняет, что позже в этом году будут готовы только цифровые проекты 1-Гбит eMRAM. После этого до начала производства должно пройти ещё порядка трёх месяцев. Тем самым Samsung стала четвёртым производителем чипов, который способен выпускать контроллеры, процессоры и SoC с памятью eMRAM вместо eNAND. Другие три ― это NXP Semiconductors, GlobalFoundries и Intel.

Важной особенностью технологического процесса при производстве eMRAM Samsung можно признать то, что блок памяти добавляется в чип на этапе сборки, упаковки и тестирования. Это означает, что блок eMRAM выпускается отдельно с использованием всего трёх фотомасок и может быть добавлен к чипу вне зависимости от техпроцесса, с помощью которого тот выпущен и без привязки к планарным или FinFET-транзисторам. Вообще без какой-либо привязки к базовому решению. Тем самым блок eMRAM Samsung можно адаптировать под уже готовые и давно запущенные в массовое производство решения, существенно модернизировав актуальные разработки.

Ещё раз повторим, Samsung не даёт точного описания приборов с eMRAM, которые она запустила в массовое производство. Уточнённые данные мы узнаем чуть позже, и всё расскажем на наших страницах. Пока заявлено, что скорость работы eMRAM в 1000 раз больше eNAND (eFlash). В демонстрационном ролике выше компания показывает, что скорости чтения из eMRAM и SRAM одинаковые. Потребление в режиме записи памяти eMRAM составляет всего 1/400 от потребления при записи eNAND, а устойчивость к износу на несколько порядков выше. Также следует ожидать, о чём Samsung не говорит в пресс-релизе, что её память eMRAM относится, скорее всего, к типу STT-MRAM с записью с переносом момента спина электрона. Собственно, об этом говорят энергетические показатели в режиме записи. Очень экономная, энергонезависимая и быстрая память.

Доклад Intel на конференции ISSCC 2019 позволил узнать о высокой степени готовности компании к массовому производству чипов со встроенной магниторезистивной памятью. Точнее, с такой её версией, как STT-MRAM, которая использует для записи перенос спинового момента электрона. Это очень мало потребляющие ячейки памяти с высочайшей устойчивостью к износу и низкой латентностью. Ожидается, что STT-MRAM заменит встраиваемую память NAND и даже SRAM, что приведёт к появлению мгновенно включающихся компьютеров.

Об адаптации техпроцесса 22FFL FinFET (22 нм) к производству STT-MRAM компания Intel рассказывала ещё в ноябре прошлого года на конференции International Electron Devices Meeting (IEDM 2018). В свежем докладе на ISSCC 2019 представитель Intel сообщил, что уровень выхода годных ячеек во встраиваемых массивах MRAM составляет беспрецедентно высокое значение 99,998 %. Правда, как пояснил докладчик, это не избавляет от необходимости сопровождать массивы памяти механизмами коррекции ошибок. Кстати, аналитики считают, что Intel уже выпускает для некоторых своих клиентов SoC и контроллеры со встроенными массивами MRAM, но официального подтверждения этому нет.

На конференции ISSCC 2019 Intel продемонстрировала образцы 22-нм решений со встроенной памятью STT-MRAM с блоками по 7 Мбит. Площадь одной ячейки STT-MRAM составила 0,0486 мкм². Размеры ячейки из одного транзистора и одного туннельного перехода примерно равны 60 × 80 нм. Скорость считывания зависит от напряжения питания и может меняться. Например, при питании 0,9 В скорость чтения равна 4 нс, а снижение питания до 0,6 В замедляет скорость чтения до 8 нс. Устойчивость к износу памяти MRAM в исполнении Intel равна 10⁶ циклов переключения. Память выдерживает 1E⁰⁶ циклов записи. Время удержания данных заявлено на уровне 10 лет при температуре 200 °C.

Сводная таблица с данными по 22-нм встраиваемой STT-MRAM Intel

Помимо доклада о встраиваемой MRAM компания Intel сообщила также о разработке недорогой версии встраиваемой памяти ReRAM для сферы IoT и автомобильной электроники. Встраиваемая резистивная память также выпускается с использованием 22-нм техпроцесса и транзисторов FinFET. По словам компании ― это самая плотная в индустрии ReRAM со сниженным потреблением энергии, но подробностей о разработке пока нет.

Компания Everspin Technologies, которая единственная в мире выпускает чипы магниторезистивной памяти в коммерческих объёмах, некоторое время назад сообщила о начале опытного производства нового поколения микросхем STT-MRAM. Серийная продукция Everspin, которую по её заказу выпускают завод компании NXP в США и одно из предприятий компании GlobalFoundries, представляет собой 40-нм чипы STT-MRAM ёмкостью 256 Мбит. Новое поколение памяти будет в четыре раза больше по ёмкости (1 Гбит) и выпускается с использованием 28-нм техпроцесса. Тем самым, кстати, 1-Гбит чипы STT-MRAM будет выпускать только компания GlobalFoundries.

Кеширующий ускоритель nvNITRO Accelerator Card с 1 Гбайт бортовой памяти STT-MRAM

Выпуск и распространение опытной серии 1-Гбит STT-MRAM начались примерно месяц назад в декабре 2018 года. Массовое производство памяти в коммерческих объёмах стартует позже ― во второй половине текущего 2019 года. Важной особенностью 1-Гбит чипов STT-MRAM считается то, что они выпускаются в таком же самом корпусе и с таким же числом BGA-контактов, как и 256-Мбит чипы. Поэтому для создания новых продуктов разработчикам не придётся делать лишних телодвижений, чтобы перейти на более ёмкие чипы STT-MRAM Everspin. Интерфейс 1-Гбит STT-MRAM не изменился ― это либо 8-разрядная, либо 16-разрядная организация шины DDR4 (ST-DDR4).

SSD IBM FlashSystem с буфером из памяти STT-MRAM

Четырёхкратное повышение плотности памяти STT-MRAM пригодится для выпуска высокопроизводительных кеширующих ускорителей для ведения журналов транзакций и для создания более ёмких буферов для SSD на памяти NAND. Быть может, память STT-MRAM сможет появиться также в SSD средней ценовой категории, а не только в серверных решениях. Для этого память MRAM выгодно отличается от традиционной NAND (3D NAND). Она быстрее, потребляет меньше энергии и имеет на порядки большую устойчивость к износу. Фактически «убийца» NAND, если бы только удалось ещё больше увеличить плотность записи.

Магниторезистивная память MRAM активно разрабатывается с 90-х годов прошлого столетия. Она даже выпускается в некоторых коммерческих объёмах, но низкая плотность записи всё ещё не позволяет говорить о производстве твердотельных накопителей на MRAM. Максимум на что способны разработчики — это использовать MRAM в качестве энергонезависимого буфера в SSD или в виде безумно дорого накопителя для ведения журналов транзакций. Дело может поправить перевод производства MRAM на техпроцессы с меньшими технологическими нормами производства или использование MRAM в виде встраиваемой памяти в контроллерах и процессорах. В частности, этому может помочь распространение вещей с подключением к Интернету.

Intel встроила магнитный туннельный переход между двумя слоями металлизации, см. ряд по центру фото (IEDM 2018, Intel)

На конференции International Electron Devices Meeting (IEDM 2018) о прогрессе в деле производства встраиваемой MRAM, точнее — STT-MRAM, как более прогрессивной версии магниторезистивной памяти на основе переноса спинового момента электрона — сообщили сразу две компании. О прогрессе заявила компания Intel, а также Samsung. Скажем сразу, заявка Intel выглядит интереснее. Микропроцессорный гигант разработал первый в индустрии техпроцесс выпуска встраиваемой STT-MRAM с использованием вертикальных транзисторов FinFET с нормами 22 нм (22FFL). Что касается Samsung, то она научилась выпускать встраиваемую STT-MRAM на пластинах FD-SOI с использованием 28-нм техпроцесса.

Упрощённая структура магнитного туннельного перехода в версии Intel (IEDM 2018, Intel)

Разработка Intel интересна также по той причине, что компания смогла сделать туннельный магнитный переход — фактически ячейку STT-MRAM — между вторым и четвёртым слоем металлических контактов, а не на кристалле, как это обычно заведено. Это даёт надежду на дальнейшее масштабирование и на увеличение плотности записи. В то же время пока компания Samsung создала ячейку STT-MRAM чуть меньшей площади, чем Intel. Площадь ячейки Samsung составляет 0,0364 мкм², а Intel — 0,0486 мкм². По словам представителя Samsung, новые технологии производства дают надежду на скорое появление коммерческих продуктов с STT-MRAM.

Строение обобщённой ячейки STT-MRAM

Добавим, каждая из компании сообщает об устойчивости к износу встраиваемой ST-MRAM в представленных техпроцессах на уровне 10 млн циклов перезаписи. Отдельно компания Intel говорит о способности ячеек удерживать данные без потерь в течение 10 лет при рабочей температуре 200 градусов по Цельсию. Для вещей с подключением в окружении с перепадами рабочих температур это хорошее качество, хотя для промышленного применения и для транспорта Samsung хотела бы представить более устойчивую к износу память MRAM.

На конференции 2018 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) представители бельгийского исследовательского центра Imec продемонстрировали доказательство эффективности магниторезистивной памяти SST-MRAM для использования в качестве разделяемой кеш-памяти вместо традиционной памяти SRAM. Для этого была разработана модель массива SST-MRAM и выпущен опытный чип, на котором были проведены все необходимые измерения.

Следует отметить, что опытный массив памяти SST-MRAM выпущен с использованием 5-нм техпроцесса. Для производства был использован 193-нм сканер и однопроходная иммерсионная литография (с погружением в жидкость). Тем самым разработчики доказали, что процесс производства массива кеш-памяти SST-MRAM с технологическими нормами 5 нм может быть достаточно недорогим.

Сначала с помощью расчёта, а затем путём замеров был составлен график зависимости потребления массива кеш-памяти SST-MRAM и SRAM в зависимости от объёма памяти. Выяснилось, что в случае ёмкость 0,4 Мбайт память SST-MRAM становится эффективнее памяти SRAM в режимах чтения, а при наборе ёмкости 5 Мбайт потребление в режиме записи памяти SRAM начинает превышать потребления в режиме записи памяти SST-MRAM. Это означает, что в техпроцессах 5 нм память SST-MRAM невыгодно использовать для кеш-памяти первого и второго уровней, тогда как для кеш-памяти третьего уровня, обычно разделяемой, это эффективная замена SRAM. К тому же память SST-MRAM является энергонезависимой, что добавляет ей очков при сравнении с обычной оперативной памятью.

Остаётся напомнить, что ячейка памяти SST-MRAM представляет собой бутерброд из диэлектрика, заключённого между двумя слоями с намагниченностью: одну с фиксированной, а вторую — с переменной. В зависимости от поляризации тока свободный слой меняет направление намагниченности благодаря движению через него электронов с заданным вращающим моментом. Использование SST-MRAM вместо SRAM решает также другую задачу — это увеличения плотности ячеек памяти. Эксперимент показал, что в рамках 5-нм техпроцесса ячейка SST-MRAM занимает примерно 43,3 % от площади ячейки SRAM.

Разработчик энергонезависимой памяти MRAM (Magnetoresistive RAM) Everspin Technologies сообщил о договорённости начать выпуск своей продукции на полупроводниковом производстве малайзийской компании SilTerra (в городе Кулим). Договор заключён на несколько лет и является частью трёхстороннего лицензионного договора между Everspin, SilTerra и немецкой компанией Bosch Sensortec, дочерней структурой компании Robert Bosch GmbH.

Информация в ячейке MRAM хранится в виде намагниченности слоёв

Интерес подразделения Bosch Sensortec заключается в разработке компанией Everspin датчиков магнитного поля на основе магнитного туннельного эффекта — TMR-сенсоров. Магнитные датчики находят всё более широкое применение как в мобильных устройствах, так и в самоуправляемом транспорте. Чувствительность датчиков TMR в разы выше, чем в случае предшествующих технологий, что находит отклик в сердцах проектировщиков автоматизированных систем.

В то же время завод SilTerra будет служить базой для расширения производства памяти Everspin MRAM. До сих пор память MRAM в заметных объёмах выпускал завод NXP в США и компания GlobalFoundries. С помощью малайзийских мощностей SilTerra компания Everspin рассчитывает умножить предложение интересной памяти для промышленности, компьютеров, медицины и транспорта. Массовое производство памяти MRAM в Малайзии планируется начать в календарном 2020 году.

При всех своих высоких эксплуатационных характеристиках — энергонезависимости, устойчивости к износу, высокой скорости записи и низких задержках — память MRAM обладает низкой плотностью записи. В массовом производстве находятся микросхемы MRAM плотностью 256 Мбит. С экономической точки зрения память подобного объёма оправдано устанавливать в решения, где нужны не объёмы, а повышенная надёжность работы. Например, использовать в качестве энергонезависимого буфера в SSD серверного класса, как это сделала компания IBM. Но пока разработчики и производители не научатся выпускать намного более плотную MRAM, эта перспективная разработка так и останется нишевым решением.