格芯22nm工藝量產eMRAM新型存儲機會展現

陳炳欣

近日，格芯宣布基于22nm FD-SOI（22FDX）工藝平臺，新型存儲器eMRAM（嵌入式、磁阻型非易失性存儲器）已投入生產。eMRAM屬新型存儲技術，與當前占據市場主流的DRAM和NAND閃存相比，具有更快的存取速度和更高的耐用性，在邊緣設備中具有替代NAND閃存和部分SRAM的潛質。它在22nm工藝下的投產，將加快新型存儲技術的應用進程，未來發展前景看好。

eMRAM逐步進入量產階段

根據格芯的報告，將在德國德累斯頓1號晶圓廠的12英寸生產線，進行eMRAM的制造加工。目前，格芯正在接洽多家客戶，計劃于2020年安排多次生產流片。這也意味著，采用22nm FD-SOI工藝的eMRAM有望于2020年投入量產，采用相關芯片產品的終端設備于2021年有望面世。

eMRAM屬新型存儲技術，相比DRAM和NAND閃存，具有更快的存取速度和更高的耐用性，適用于物聯網、通用微控制器、汽車電子、終端側人工智能設備和其他低功耗設備當中。基于22nm FD-SOI先進工藝節點制造，產品將具有更高的性價比。格芯汽車、工業和多市場戰略業務部門高級副總裁和總經理Mike Hogan表示：“客戶可利用這些解決方案來構建適用于高性能和低功耗應用的創新產品。基于FDX平臺生產的eMRAM，更有利于集成在高性能射頻、低功耗邏輯和集成電源管理的解決方案中實現產品的差異化。”

除格芯之外，其他半導體廠商對于eMRAM等新型存儲器的開發也非常重視。2019年年初，三星曾宣布基于28nm FD-SOI工藝，在韓國器興廠區投產eMRAM，并計劃生產1千兆容量的eMRAM測試芯片，為大規模生產做準備。三星代工市場副總裁Ryan Lee表示：“通過eMRAM與現有成熟的邏輯技術相結合，三星晶圓代工將繼續擴大新興的非易失存儲器工藝產品組合，以滿足客戶和市場需求。”臺積電技術長孫元成也曾經透露，臺積電已開始研發eMRAM和eRRAM等，并計劃采用22nm工藝。這是臺積電應對物聯網、移動設備、高速運算電腦和智能汽車等領域所提供效能更快速和耗電更低的新存儲器。

應用材料則在2019年推出業界首款具備量產價值的MRAM制造設備平臺EnduraCloverMRAM PVD系統，可進行材料沉積、介面清潔和熱處理功能等，在半導體設備上為MRAM的量產提供了可行性。根據應用材料金屬沉積產品事業部全球產品經理周春明的介紹，一個PVD系統可以整合7個CloverPVD腔室，在一個PVD系統中就可以完成10多種不同材料和超過30層以上的沉積，由于不需要像以往設備那樣進行真空中斷，將大幅提升成品率。

半導體大廠

紛紛布局新型存儲器

目前，業界關于新型存儲器的討論一直很熱，并不僅局限于eM-RAM。3D XPoint、PCRAM、Re-RAMRRAM等均是人們重點關注的技術。

2006年英特爾即與美光聯合成立了IM Flash Technologies公司，共同開發新型存儲器3D Xpoint。雖然雙方于2018年因技術路線分歧而分道揚鑣，但是目前英特爾與美光均已各自量產3D Xpoint，并投入推廣。英特爾在其云計算解決方案中，將3D Xpoint和3D NAND整合在單一模塊當中，作為HDD硬盤、3D NAND與DRAM內存之間的一個新的層級。由于傲騰硬盤的容量是DDR4內存的10倍，斷電也不丟失數據，將增加存儲系統的整體性能。英特爾中國研究院院長宋繼強告訴記者：“將DRAM、NAND Flash和傲騰技術相結合，在緩存和DRAM之間，DRAM存儲之間插入第三層，填補內存層級上的空白，使存儲結構間的過渡更加平滑，對于提高系統性能非常有利。”在2019年的“Mircon Insight”技術大會上，美光也推出了基于3D XPoint技術的超高速SSD硬盤X100。美光執行副總裁兼首席商務官Sumit Sadana表示：“美光是全球為數不多的DRAM、NAND和3D XPoint解決方案垂直整合提供商，該產品將繼續推動我們的產品組合向更高價值的解決方案發展，從而加速人工智能能力發展、推動更快的數據分析，并為客戶創造新的價值。”

ReRAM和PCRAM同樣屬于非易失性存儲器，適合作為“存儲級存儲器”填補服務器DRAM和NAND閃存之間不斷擴大的性價比差距。根據周春明的介紹，在將PCRAM或者ReRAM用于數據中心存儲系統當中時，相較于傳統的NAND，可以提供超過10倍的存取速度，有望成為未來云服務數據中心的首選。目前，業界對于PCRAM與Re-RAM的量產開發也十分積極。2019年在推出面向MRAM生產的PVD系統的同時，應用材料還推出了支持PCRAM、ReRAM量產化的Endura Impulse PVD設備。周春明預測未來3～5年，新型存儲器有望解決制造上瓶頸快速進入市場。

發展前景

是融合而非替代？

eMRAM等新型存儲器會取代DRAM和NAND Flash成為市場主流嗎？集邦咨詢半導體研究中心（DRAMeXchange）資深協理吳雅婷認為，eMRAM只會部分取代DRAM/NAND的使用量，但并沒有辦法完全取代現有的存儲器解決方案。在所有新一代存儲器中，eMRAM的電信特性與DRAM和NAND Flash極其相似，具備一定的優缺點，并未具備完全替代DRAM和NAND Flash的性能。“使用新一代存儲器，對于傳統平臺來說，需要改變以往的平臺架構才能適應，并不是可以輕松使用的。”吳雅婷說。

應用材料金屬沉積產品事業部全球產品經理周春明也表示，新型存儲器具有更快的存取速度，更好的耐用性，更小的裸片尺寸、成本和功耗等性能優勢。例如，以統合式MRAM解決方案取代微控制器中的eFlash和SRAM，可節省90%的功耗。不過，周春明也指出，目前下一代存儲器在量產制程方面仍然存在很多瓶頸。

也就是說，新一代存儲器想要獲得一定的市場空間，還需要與現有的存儲器解決方案進行配合，加快適應傳統平臺的架構，釋放性能方面的優勢。