AI芯片技術(shù)路線(xiàn)迎來(lái)重大變革，MARM技術(shù)引發(fā)業(yè)內關(guān)注

隨著(zhù)生成式AI的興起，對大量?jì)却娴男枨笤跀祿行闹醒杆僭黾?，而MRAM（自旋轉移矩陣存儲器）作為一種非易失性?xún)却?，在高速讀寫(xiě)性能的同時(shí)能夠在斷電情況下保存數據，且耗電量較低，因而成為備受關(guān)注的對象。

存儲技術(shù)目前情況

存儲技術(shù)發(fā)展更迭50年，逐漸形成了SRAM、DRAM及Flash這三大主要領(lǐng)域。但是隨著(zhù)半導體制造技術(shù)持續朝更小的技術(shù)節點(diǎn)邁進(jìn)，傳統的DRAM和NAND Flash開(kāi)始面臨越來(lái)越嚴峻的微縮挑戰；再加上由于這些存儲技術(shù)與邏輯計算單元之間發(fā)展速度的失配，嚴重制約了計算性能和能效的進(jìn)一步提升。因此，業(yè)界開(kāi)始對新型存儲技術(shù)寄予厚望，越來(lái)越多的新型技術(shù)迅速涌現。目前主流的新型存儲器主要包括四種：阻變存儲器（ReRAM/RRAM），相變存儲器（PCRAM），鐵電存儲器（FeRAM/FRAM），磁性存儲器（MRAM）。其中MRAM正在成為當下主流的新型存儲技術(shù)，并且有專(zhuān)家預言，MRAM將帶來(lái)下一波的存儲浪潮。

（一）MRAM的特點(diǎn)

MRAM是一種兼具DRAM和Flash特點(diǎn)的存儲介質(zhì)，以下是MRAM的一些具體特質(zhì)。

非易失：鐵磁體的磁性不會(huì )由于斷電而消失，故MRAM具備非易失性。讀寫(xiě)次數無(wú)限：鐵磁體的磁性不僅斷電不會(huì )消失，而是幾乎可以認為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無(wú)限次重寫(xiě)。

寫(xiě)入速度快、功耗低：MRAM的寫(xiě)入時(shí)間可低至2.3ns，并且功耗極低，可實(shí)現瞬間開(kāi)關(guān)機并能延長(cháng)便攜機的電池使用時(shí)間。

和邏輯芯片整合度高：MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過(guò)程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，甚至可以實(shí)現2~3層單元疊放，故具備在邏輯電路上構造大規模內存陣列的潛力。

（二）和其他存儲相比，MRAM強在哪兒？

與SRAM相比，MRAM速度稍慢，但MRAM在速度上仍然具有足夠的競爭力，此外SRAM的設計更復雜，MRAM的密度更高，以及MRAM是非易失性的，而SRAM是易失性的，斷電就會(huì )丟失數據，MRAM則不會(huì )面臨這種困擾。

與 DRAM相比，由于DRAM需要電容器充電/放電來(lái)完成讀寫(xiě)，所以MRAM的讀/寫(xiě)速度更快，在密度上MRAM和DRAM相似，但DRAM也是一種易失性存儲器。此外，MRAM的單元泄漏較低；與經(jīng)常刷新數據的DRAM相比，MRAM的電壓要求也比較低。

與Flash相比，MRAM 與Flash同樣是非易失性的，但是MRAM在耐高溫、數據保存，尤其是操作耐久度上，優(yōu)于Flash。要知道MRAM具備寫(xiě)入和讀取速度相同的優(yōu)點(diǎn)，并具有承受無(wú)限多次讀寫(xiě)循環(huán)的能力。

與ReRAM相比，ReRAM隨機讀寫(xiě)速度優(yōu)于傳統存儲器，但要慢于MRAM和FRAM；同時(shí)ReRAM的讀寫(xiě)次數約在100萬(wàn)次左右，較傳統存儲器有數量級的增加，但少于MRAM的讀寫(xiě)次數；其中密度和相應的成本是ReRAM的最大優(yōu)勢；從成本方面看，MRAM由于材料的復雜性、密度瓶頸、抗磁干擾等難點(diǎn)，其成本會(huì )較高。

與FeRAM相比，MRAM與其性能較為類(lèi)似，但FeRAM的讀寫(xiě)速度要優(yōu)于MRAM，且可以保持較低的功耗，FRAM的劣勢則在于，其成本比MRAM還要高，所以它可以應用于一些非常特殊的市場(chǎng)。

PCRAM也是未來(lái)十年內最具潛力的新型存儲技術(shù)之一。PCRAM 具有容量大、集成度高、速度快、功能低和成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別是與新型 CMOS 工藝兼容。不過(guò)PCRAM也存在著(zhù)一些明顯不足之處，特別是寫(xiě)操作速度無(wú)法與DRAM相媲美，寫(xiě)耐久性也與DRAM相差較大等。寫(xiě)耐久性差是將其大規模應用于計算機系統所面臨的主要障礙之一，目前國內外研究人員正在研究一些解決方案來(lái)應對。就目前來(lái)說(shuō)，PCRAM的商業(yè)化程度還沒(méi)有MRAM高。

二、MRAM是AI存儲發(fā)展趨勢，力積電三星均重倉布局

力積電計劃與日本企業(yè)Power Spin合作，目標在2029年實(shí)現MRAM內存的量產(chǎn)。Power Spin將提供MRAM相關(guān)IP授權，而力積電則負責進(jìn)一步的量產(chǎn)研發(fā)和試產(chǎn)，以推動(dòng)這一新型內存的普及。

Power Spin是由日本東北大學(xué)于2019年成立，擁有STT-MRAM相關(guān)技術(shù)。MRAM內存的特點(diǎn)是非易失性，高速讀寫(xiě)，以及理論上可降低至現有內存的1/100的耗電量。然而，MRAM也面臨成本高和耐用性等問(wèn)題。在A(yíng)I浪潮下，數據中心對大量?jì)却娴男枨笤黾?，因此MRAM成為備受關(guān)注的技術(shù)。

力積電計劃使用在日合資公司的二期生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)MRAM內存，力圖推動(dòng)這一新型內存的普及。這個(gè)合資公司由力積電與日本SBI控股于去年成立，總投資達8000億日元，首期計劃于2027年建成投產(chǎn)，而二期則預計在2029年投入使用。此舉顯示了力積電在MRAM領(lǐng)域的雄心和布局。

除了力積電，三星也在布局下一代存儲技術(shù)，計劃于2026年量產(chǎn)8nm車(chē)用eMRAM。此外，臺積電近期宣布下一代SOT-MRAM內存研發(fā)成功。MRAM內存市場(chǎng)規模已于2022年達到300億日元，表明該技術(shù)在半導體代工業(yè)界備受矚目。

在全球范圍內，半導體大廠(chǎng)紛紛投入研究力量，布局相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足快速讀寫(xiě)、低耗電、斷電后不會(huì )遺失資料的前瞻記憶體儲存技術(shù)需求。

臺灣半導體產(chǎn)業(yè)也在積極支持相關(guān)研究，如臺灣實(shí)驗研究院與臺積電合作的“選擇器元件與自旋轉移力矩式磁性記憶體整合”技術(shù)。這一技術(shù)在IEDM（International Electron Devices Meeting）中發(fā)表，并被選為Highlight Paper，成為成功開(kāi)發(fā)高密度、高容量STT-MRAM制作技術(shù)的團隊之一。

MRAM技術(shù)的發(fā)展不僅在硬件制造領(lǐng)域有所突破，同時(shí)在應用領(lǐng)域也有著(zhù)廣泛的前景。在汽車(chē)、工業(yè)、軍事和航天等領(lǐng)域，MRAM因其抵抗高輻射、在極端溫度條件下工作以及防篡改等特點(diǎn)，具有廣泛的應用前景。在工業(yè)應用中，MRAM的快速寫(xiě)入能力和非易失性存儲使其成為理想的選擇。

三、MRAM的主要應用市場(chǎng)

MRAM在邊緣方面展現出獨特的優(yōu)勢。邊緣計算在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、機器人、可穿戴設備、人工智能、汽車(chē)以及便攜式設計等領(lǐng)域的應用正在不斷增長(cháng)。伴隨著(zhù)這些增長(cháng)的是大家對高速、低延遲、非易失性、低功耗、低成本內存（用于程序存儲和數據備份）的需求。雖然有許多可用方案，包括 SRAM、DRAM、閃存等,但這些技術(shù)都需要在一個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行權衡，這對于邊緣計算來(lái)說(shuō)，它們似乎都不太適合。MRAM 將數據存儲在磁存儲單元中，提供真正的隨機訪(fǎng)問(wèn)，并允許在內存中隨機讀寫(xiě)。此外，MRAM 結構和操作具有低延遲、低泄漏、高寫(xiě)入周期數和高保持率等特點(diǎn)，而這些恰恰都是邊緣計算非常需要的。此外，MRAM是實(shí)現存算一體的理想存儲器之一。到目前為止，多種存儲器介質(zhì)被研究用于構建存算一體系統。SRAM和DRAM是易失性器件，頻繁的刷新并不利于降低功耗。而Flash雖然是非易失性的，但是隨著(zhù)讀寫(xiě)次數增加，浮柵氧化層會(huì )逐漸失效，反復讀寫(xiě)可靠性很低。因此，各種基于電阻改變的新型存儲器是實(shí)現存算一體的有效載體。MRAM則是基于對電子“自旋”的控制，可以達到理論上的零靜態(tài)功耗，同時(shí)具有高速和非易失性以及近乎無(wú)限的寫(xiě)入次數。MRAM在速度、耐久性、功耗這些方面具有不可替代的優(yōu)越性。因此，MRAM是實(shí)現存算一體的理想存儲器之一。

四、資本瞄準MRAM加注，全球國內MRAM新興勢力

據全球半導體觀(guān)察不完全統計，包括致真存儲、亙存科技、馳拓科技等布局MRAM的企業(yè)獲得資本投資：致真存儲完成數千萬(wàn)元Pre-A輪融資；馳拓科技獲得B輪融資；亙存科技獲得新一輪融資；凌存科技獲pre-A輪融資。

2023年8月，致真存儲自主研發(fā)的128Kb SOT-MRAM 芯片成功下線(xiàn)，是繼1Kb SOT-MRAM流片成功后又一個(gè)重要的新一代磁存儲技術(shù)工藝研制里程碑，圍繞自旋軌道矩材料、磁性隧道結圖案化、專(zhuān)用電路設計等實(shí)現多處技術(shù)突破；

亙存科技針對邊緣側、端側的智能化需求，圍繞“存儲-計算-控制”布局“獨立式MRAM存儲芯片”和包含嵌入式MRAM的“AI SoC芯片”兩條核心產(chǎn)品線(xiàn)，為消費、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)等領(lǐng)域的客戶(hù)提供具備競爭力的高能效、智能化單芯片系列解決方案。其中，AI SoC的“超低功耗”版本運行功耗低至5uA/MHz，達到國際一流水平，可為廣大電池供電的應用場(chǎng)景提供高性?xún)r(jià)比方案；國內科創(chuàng )板上市公司聚辰半導體（688123.SH）于2019年完成了對MRAM技術(shù)企業(yè)亙存科技的融資領(lǐng)投，成為國內一家專(zhuān)注于MRAM技術(shù)的Fabless企業(yè)。

凌存科技已成功開(kāi)發(fā)出世界首款高速、高密度、低功耗的存儲器MeRAM原型機和基于MeRAM的真隨機數發(fā)生器，其開(kāi)發(fā)的高性能存儲芯片廣泛應用于車(chē)載電子、高性能運算、安全等領(lǐng)域，其還將存儲介質(zhì)、集成電路、系統及相關(guān)專(zhuān)利授權給有高效性運算以及安全芯片需求的公司自行開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品；

磁宇信息是擁有pSTT-MRAM專(zhuān)用12寸薄膜制造/測試設備和pSTT-MRAM專(zhuān)用12寸刻蝕設備的公司，國外MRAM主要應用在固態(tài)硬盤(pán)內，實(shí)現固態(tài)硬盤(pán)性能大幅度提升，這也是磁宇信息產(chǎn)品的起點(diǎn)；

馳拓科技也已經(jīng)有客戶(hù)進(jìn)行了量產(chǎn)，為嵌入式非易失性存儲，用于MCU/SOC和慢速SRAM；

珠海興芯存儲（珠海南北極科技全資子公司）NV-RAM規格的MRAM技術(shù)，是國內第一家達到此規格的廠(chǎng)商，未來(lái)量產(chǎn)后可取代目前市場(chǎng)上由外商供應昂貴的FRAM、電源供應SRAM（BatteryBackup SRAM），NVSRAM；

中國科學(xué)院物理研究所團隊則研制了一種磁矩閉合型納米環(huán)狀磁性隧道結，作為存儲單元的新型MRAM原型器件。

綜合來(lái)看，MRAM技術(shù)在硬件制造、應用領(lǐng)域都取得了顯著(zhù)進(jìn)展，未來(lái)有望逐步替代部分NOR閃存和SRAM，甚至在幾年內取代部分DRAM。隨著(zhù)MRAM技術(shù)的不斷成熟和廣泛應用，預計它將在塑造各行業(yè)未來(lái)計算方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。MRAM市場(chǎng)爆發(fā)勢頭迅猛，預計到2031年價(jià)值將達191.893億美元，復合年增長(cháng)率達36.6%，為整個(gè)半導體行業(yè)帶來(lái)新的增長(cháng)動(dòng)能。

免責聲明：市場(chǎng)有風(fēng)險，選擇需謹慎！此文僅供參考，不作買(mǎi)賣(mài)依據。

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