曝光率最高的新一代宠儿——MRAM
本文是《让我们谈谈NVRAM》专题的一部分
当我们把眼光投向NVRAM的未来发展时，可以发现前面已经有三位主要的接班人在等候着，其中包括大名鼎鼎的MRAM……
MRAM（Magnetoresistive Random access Memory，磁性内存）最早在1984年由霍尼韦尔（Honeywell）公司的两名博士Arthur Pohm与Jim Daughton提出设想。它可以让内存像硬盘那样用磁性材料存储数据而不是用电子元件。用磁性材料存储的好处是显而易见的，那就是它是非易失性的，而且不需要刷新、回写（传统的DRAM的读取是破坏性的），所以这个构想非常吸引人。在性能方面，MRAM从诞生之初就开始逼近SRAM的水平，寻址延迟降到了5ns（IBM和Infineon的最新研究成果），这是相当不错的成绩。
MRAM的主要技术特点就是使用TMR（隧道型磁电阻）磁性体单元来存储数据。利用电阻随磁化方向而变化的原理记录数据，并通过隧道效应扩大电阻值的差别。耗电量低，且可高速写入和读取。擦写次数无限制。需要指出的是，TMR技术也有可能用在未来硬盘的磁头中。
MRAM的内部结构图，仍是位线与字线的传统设计（点击放大）
MRAM在写入时会改变TMR元件的电阻，因此就会改变夹持绝缘体的磁性体层的磁化方向。下层（栓层：Pinned Layer，也称下磁铁电极层）的磁化方向是固定的。改变磁化方向的是上层的自由层（Free Layer，也称上磁铁电极层）。写入“0”时产生与下层同向的磁场。上层磁化方向与下层平行，电阻就会减小。写入“1”时正好相反，产生与下层反向平行的磁场，从而使上下两层的磁化方向形成反平行。此时电阻则增大。
读取时，则在TMR元件中传导电流。假如是“0”，由于电阻小，电流就大；假如是“1”，由于电阻大，电流就小。利用这种区别判定“0”或“1”。
MRAM与TMR单元的工作原理图（点击放大）
MRAM之所以速度快是因为磁性体磁化方向的反转速度快。另外，由于改变磁化方向的次数没有限制，因此写入次数就为无限次。
不需晶体管即可生产MRAM
MRAM的单元结构以TMR元件(（也称TMJ，Magnetic Tunnel Junction——磁性隧道结）上连接晶体管的选择晶体管型为主流，也称1T1MTJ型。由于可用晶体管对每个单元进行控制，因此耗电量低，且速度快。另外，外部电路制作简单。不过，这种结构的缺点是因此难以减小单元尺寸，因此不易实现大容量。
1T1MTJ结构图（点击放大）
虽然几乎所有的内存都使用晶体管进行切换，不过MRAM还开发了不使用晶体管即可驱动的结构，称之为交叉点型。将电极下上垂直相交进行排列，在交叉点配置TMR元件，从而就能形成简单结构。
由于交叉点型（XPC，Cross Point memory cell）MRAM能够减小元件体积、进行多层层叠，因此易于实现大容量。不过其缺点是，即便只是为了读取选择单元而传导电流时，也会在四周产生环绕电流，因此外部电路复杂，读取时间长，性能不如1T1MTJ的结构。
XPC无晶体管结构图，它的结构简单，可以实现大容量，但控制难度相对较大（点击放大）
由于MRAM有上述2种结构，因此很有可能根据不同的用途而分别作为大容量产品和高速产品来使用。
未来的NVRAM——MRAM不是唯一
进入20世纪90年代后，随着加工工艺与相关元件技术的进步，MRAM得到了迅速的发慌。摩托罗拉（MOTOROLA）、IBM等半导体公司在MRAM领域取得了重大突破。2002年6月，摩托罗拉公司率先发布了1Mbit MRAM芯片的试制品，2003年4月，东芝（TOSHIBA）与NEC也发布了1Mbit的MRAM样品；2003年6月10日，IBM与英飞凌（Infineon）公布合作开发MRAM，争取在2005年将其商品化。除此之外，在内存领域里排不上名的索尼（SONY）也在2003年4月底公布开发MRAM。一时间，MRAM取代现有内存技术的声音不绝于耳，很多文章都将其矛头直指DRAM，言语之间十分兴奋。更有一些厂商的市场人员也在做近期取代DRAM地位的大胆猜测。不过，从MRMA现有的实力和特点来看，在相当长的时期内，闪存才是它的最大替代目标。究其原因，是在于MRAM虽然性能优异，但由于种种原因也使其有自己的难言之隐。
MRAM在生产方面碰到的问题在于TMR元件加工难度大。磁性体不同于半导体，加工中不能使用化学反应，必须进行物理加工，因此外形不好控制。TMR元件采用的结构是由2个磁性体层夹着铝氧化膜绝缘体。电流就像穿越这三层一样进行传导。因此，一旦元件的外形和层的厚度出现偏差，就会产生失误。另外，生产过程中在层与层之间还会产生短路。 这些将对MRAM的生产成本有直接的影响。
在速度方面，现在的样品的运行频率还不高，而且种种设计结构还没有经过大容量实践的考验。另据IBM的研究表明，MRAM的寻址速度将随芯片内逻辑Bank容量的增加而降低，摩托罗拉的256Kbit MRAM芯片的寻址速度是35ns，到了1Mbit则为50ns，这多少能说明一些问题。MRAM目前的试制品容量仅为1Mbit，而且若大规模增加容量就势必要增加逻辑Bank的数量，但这将增加芯片的控制难度，目前DDR-Ⅱ最高为8个逻辑Bank，RDRAM是32个，而IBM的研究表明，在目前的DRAM容量下，MRAM至少要具备50个逻辑Bank才能在综合性能上与SDRAM（4个逻辑Bank）抗衡。但若不增加逻辑Bank数量就要对逻辑Bank扩容，可这又会影响寻址速度（尤其是逻辑Bank容量超过8Mbit后，影响更为明显）。因此，与现有的系统相兼容性方面，MRAM做得也不够好。
MRAM还存在着存储单元占用面积过大的缺点，生产工艺复杂也是影响其增加容量的一个障碍。虽然MRAM可以采用XPC架构（Cross Point memory Cell，交叉点存储单元）以缩小芯片面积，但仍不太成熟，而且XPC架构也削弱了MRAM的性能表现。日立公司的一位经理Shinichiro Kimura指出，缩小尺寸是个巨大的挑战。目前为止，已公布的最小MRAM单元尺寸是0.6平方微米，而Kimura认为，MRAM制造商需要将尺寸缩小到约0.1平方微米才能成功。
相比之下，六晶体管（6T）SRAM单元在采用90纳米工艺时大约是1平方微米。在VLSI研讨会上，东芝和SanDisk公司公布了一款采用90纳秒工艺的NAND型闪存单元，其尺寸仅为0.041平方微米。此外，东芝的工程师还介绍了一种采用65纳米技术、尺寸为0.11平方微米的DRAM单元。
另外一个重要的课题就是如何降低写入电流，MRAM的写入电流大是公认的了。正在开发此类内存的东芝公司表示，目前已经将较高的写入电流降低到了3mA（每bit），即1/3左右，将来力争达到1mA。不过，假如缩小电流，0和1的电阻值变化率即MR比就会随之减小，从而就会提高读取难度。为了减小工作电流，必须在如何提高MR比上下功夫。目前有人正在研究层叠TMR元件（双层通道接合）。
另外的课题包括没有实现微加工工艺，以及切换时产生的磁场及读取信号的不稳定性较大等。
也许开发MRAM的厂商很多，也许MRAM的前景真的很好，总之MRAM是未来NVRAM技术的一大热门。但不要忘了，未来的NVRAM并不止MRAM一个。
就目前来看，同样具备非易失性与高速寻址能力的内存（相对于Flash RAM），至少还有两个，分别是FeRAM（Ferroelectric RAM铁电内存）和OUM（Ovonics Unified Memory，奥弗辛斯基电效应统一存储器）。
目前，开发后前者的半导体大厂并不在少数，富士通（FUJITSU）、Hynix、英飞凌、东芝、松下（Matsushita）等都是开发FeRAM的主力厂商，而在OUM的开发者中，只要提一个名字就够了——Intel。因此，在未来内存技术的争夺战中，我们并不能只关注MRAM，它们各有优缺点。在很多领域，FeRAM与OUM将成为MRAM的有力竞争者。
酷似DRAM的FeRAM
为了突破闪存面临的极限，新一代非挥发性内存加大了数据保持元件的研发力度。其中，已经量产且领先一步的就是FeRAM。
FeRAM写入示意图，记录“1”时加正电压，记录“0”时加负电压。此时铁电电容结晶结构正中间的钛原子就会上下运动
FeRAM记忆元件使用的是铁电电容。铁电电容的每一个结晶在自然状态下分为正极和负极。具有加电后其极性会统一成一个方向的性质。其极向即使关闭电源后状态也不会改变，因此能够保持数据。由此来实现非挥发性。
不过，FeRAM有一个很大的缺点，即读取次数有限制。目前的读取次数约为10的12次方。已经有人指出读取次数有限的内存不能使用。
FeRAM结构非常类似于作为电脑内存而使用的DRAM。因此擦写速度快，约为100ns。不同于DRAM的是记录数据的部分。DRAM在晶体管中加入了存储电荷的电容器。而FeRAM则把电容器变成了铁电电容。也可以说是使DRAM具备了非挥发性。
FeRAM与DRAM架构对比图（点击放大）
写入方法与DRAM稍有不同。DRAM利用电容器中有无电荷记录数据，因此使用名为位线（Bit Line）的布线单向加压。而FeRAM由于必须双向加压，因此除位线以外，还添加了名为板线（Plate Line）的线路。写入“1”时，由板线向位线加压。写入“0”时则反过来由位线向板线加压。
读取方法也不同于DRAM。DRAM根据电容器中有无电荷判定“1”或“0”。而FeRAM则不能直接读出电容器的状态。因此读取时通过强行写入“1”，来判定“0”还是“1”。数据为1时由于状态不变，因此电荷移动少。而数据为0时由于状态发生反转，因此会产生大的电荷移动。利用这种电荷差判定1和0。
如上所述，FeRAM在读取时也进行写入动作。但是在铁电电容中反复写入会使之加速老化。也就是说，不仅是写入时，读取时FeRAM也会产生老化，并且FeRAM在读取时与DRAM一样，是破坏性读取，所以也需要像DRAM那样进行回写操作。
妨碍FeRAM可靠性的材料性质
FeRAM使用的铁电体材料大体分为两类，分别是美国瑞创国际（Ramtron International）提供授权的PZT（锆钛酸铅）和美国思美（Symetrix）的SBT（钛酸钡锶）。PZT可在低温下生产，产生的电荷量大，而SBT则可实现低耗电。目前很多制造商都在使用PZT进行开发。已开始量产FeRAM的富士通采用了PZT。
PZT的结晶结构由于原子位置有偏差，因此稳定的点有两个。数据为0和1两种状态下，结晶中原子位置不同。具体来说两个状态是指位于中间的钛原子（或锆原子）是在上面还是在下面。
可靠性对内存来说是必不可少的。但是FeRAM存在两个源自于铁电体性质的问题。即反复擦写时的耐受性和数据保持性问题。
反复写入的耐受性问题有两个。第一个是反复记录数次后，由于材料产生疲惫，就将无法清楚地区别和记录0和1。第二个是“动态压印（Dynamic ImPRint）”，就是指反复单向加压而写入相同数据时，因此产生写入惯性，而无法再写入其他数据。
数据保持性能也有两个问题。一个是随着时间的推移，因失去正、负极性，而无法读取。业界将其称为“去极”。第二个是“动态压印”，就是指假如长期保持0或1某一种数据，那么数据就会烧录上去，从而无法进行擦写。这些问题产生的机理“尚未查明”（NEC电子的丰岛）。
为了克服铁电体在读取时也会老化的缺点，通过在读取方法上下功夫，目前已经有人提出了采用无损读取方法。通过在板线上施加微电压，不需反转极性来读取数据。此时，由于可读取电流减小了，因此就存在不易判定数据的问题。
我和光盘刻录同源——OUM存储器
OUM是写入时通过加热进行数据记录的非挥发性内存。由美国Ovonyx开发。采用的是可用热改进结晶状态的相变化材料。这种材料目前已经应用于刻录光盘。两者不同的是记录光盘利用的是相变化膜反射率的变化，而OUM则利用的是电阻的变化。
OUM使用类似于CD-RW光盘的相变原理来保存数据，只不过CD-RW上的相变用的是激光加热，改变的是光的反射强度，OUM中的相变材料则是通过施加电场来加热以发生相变，改变的是阻抗值，从而可实现二进制存储并且与CD-RW一样是可重写/非易失的（点击放大）
OUM的擦写次数为10的12次方，其优点是易于减小单元尺寸，电阻变化率大。缺点是写入时间长。
相变化材料根据不同的加热方式可产生结晶和非结晶两种状态。由于两种状态在有电流时电阻不同，因此能够记录“0”和“1”。只要不加热，两种状态就不会变化，因此就可实现非挥发性。
正在进行OUM研究的英特尔在相变膜中使用的是硫族化物结晶。先将电阻加热器与硫族化物结晶相接触，然后通过接通电流就能改变接触部分的结晶状态。写入0时形成结晶状态。为了形成结晶状态，就要使温度在300～400度下保持20～50ns。写入1时，形成非结晶状态。此时，先加热至600度以上的高温，然后关闭电流后冷却1～2秒ns的时间。
读取过程利用的是接通电流时电阻会因结晶状态的不同而变化的原理。在相变膜中接通电流时，在结晶状态下由于电阻小，电流就大；而非结晶状态下由于电阻大，就只能有少量电流通过。在英特尔目前采用的0.18μm工艺条件下，电阻在结晶和非结晶状态下分别为10kΩ以下和100kΩ以上。
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未来“闪存”的较量——FeRAM走在前面
从存储原理上看，MRMA、FeRAM、OUM都可谓是别具匠心，而不同的设计原理也就决定了它们各自所擅长的领域。
技术往往就是这样，还在实验室中可能就要与同在实验室里的对手暗中较劲了。虽然距它们大量上市的日期还早，但这种较量却早已开始了。不过要声明的是，在这三个候选人之中，FeRAM并不算是未来的产品，它的成品目前已经有不小的应用量，所以与MRAM、OUM相比它的成熟度是最高的。
在这三者中，由于在写入时需要改变磁场的缘故，MRAM存在着写入电流大的缺点（是读取电流的8倍），最近通过磁束集中设计（在写入电路上覆盖磁性材料以加强磁场能量）将写入电流强度降低了2/3，但仍是个问题。OUM也是如此，产生相变也需要较大的电流，FeRAM在这方面则表现最好，但也需要非凡的生产工艺，芯片面积同样较大，而且由于是破坏性读取，在综合性能上不如MRAM。OUM则由于使用现有的生产工艺，芯片面积最小，且轻易混载封装，但速度比不上MRAM。
在可重写次数方面，MRAM在理论上是无限的，而FeRAM与OUM由于分别采用电容与相变材料保存数据，则都有重写次数的限制，目前的水平是1012次，这已经是相当了不起的成果了。
按照Intel早期的看法，最适合非接触型IC卡的存储器是FeRAM。对高性能存储器而言，当然首选速度最快的MRAM。而最适合作为便携终端存储器则是OUM。因为对于便携终端而言，在要求MRAM一样的高速度的同时，对低成本与小体积的要求也很严格。不过，在2003年7月采访英特尔负责NVRAM等技术开发的Stefan K. Lai时，却得到了对OUM不利的消息。OUM虽然存储单元很小，但外围电路却比NOR闪存更多，因此成本与芯片面积反而是OUM的一个头疼问题。当然，MRAM也在努力完善自己，减小写入电流与芯片面积则是它的首要目标。
就目前而言，在实际应用中走得最远的显然是FeRAM，作为全球最大的消费类电子产品厂商——日本松下公司就在2003年发力，大力推广在系统LSI上混载FeRAM的技术，并将其定为核心级业务。其目标是“首先，将投产面向非接触型IC卡的微控制器，然后再逐步把用途扩大到面向各种数码家电的系统LSI领域。在不久的将来有可能在手机基带中混载LSI。”松下公司选择FeRAM的理由也很简单，按照松下电器产业半导体公司社长古池进的话说就是“与MRAM等其它存储器相比，由于FeRAM更轻易实现深次微米设计，且与CMOS工艺之间的匹配性也更出色，因此决定将其用作核心技术。”从中我们可以看出FeRAM虽然在技术设计上相对于传统DRAM变动最小，但也因此而获得了业界的青睐，并在混载市场中如鱼得水。
松下将从2003年8月开始供给作为第一种量产产品的非接触型IC卡微控制器样品，采用0.18μm工艺，2003年12月开始量产供货。最初的量产规模为月产50万个。松下还计划2005年和2007年将分别使用0.13μm工艺和0.09μm工艺开始进行芯片量产。为了实现低于混载SRAM而与混载DRAM相匹敌的存储器单元面积，计划从0.13μm工艺开始采用立体电容结构以对FeRAM做进一步改进。
需要指出的是，在2003年6月以前，松下一直在以月产300万个的规模量产混载FeRAM的芯片，这些芯片均采用0.6μm工艺。加上即将量产的0.18μm版和新一代0.13μm版产品在内，松下电器产业计划到2005年以月产1000万个，即年产1.2亿个的规模量产混载FeRAM的系统LSI。
与之对照，MRAM与OUM的商品化速度明显慢了很多。对于很多人来说，可能都没想到长期默默无语的FeRAM早已静静地建立了自己的领地。
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总结：闪存顽强生存 NVRAM将的变数中发展
Stefan K. Lai在讲述OUM所碰到问题的同时也透露了另一个观点——目前的闪存5年之内不会被淘汰。这个观点又将我们从对未来的憧憬拉回到现实中来。的确，在关注NVRAM的发展的同时，我们不能忽视现有闪存的技术改进，而这就是其具备顽强生命力的基础。其中最主要的改进就是生产工艺的改良，0.13μm之后将是90nm（2004年），90nm之后将是65（2006年）和45nm，以做到体积更小、容量更大、耗能更低，与此同时还会配合一系列新的技术，如采用新材料制成的绝缘膜以保证小体积大容量时的可靠性。而在这几年间，半导体技术、材料技术以及生产技术都将有巨大的变化。MRAM、FeRAM、OUM的发展是与它们息息相关的，所以随时吸收相关的技术成果不是有可能，而是肯定会发生的事情，甚至某些技术成果还会影响到它们的一些核心设计。另外，业界的发展规律也表明，循序渐进才是新旧产品交接的正确模式，因为一个重要的基层产品与技术将影响/牵动其周边的若干产业与用户的习惯，所以就算这些新的NVRAM技术的替代目标公局限于NVRAM领域，也不要指望在某一天完全实现这种替代。因此，当我们分析未来的时候，不能忽略现在，它们是一个整体，不能单独看待。这不光是对NVRAM，对任何新技术/新产品的分析都将适用。
小提示：新的NVRAM将创造新的市场
NVRAM的非易失特性让其拥有了与众不同的能力，当它的能力足够强大时，一些非凡的市场也将对其开放。
在网络存储领域，对磁盘阵列的缓存系统的保护至关重要，但假如换成NVRAM则可以减少不必要的相关设备（点击放大）
目前NVRAM的最大不足就是性能上还无法与传统的VRAM相媲美。NAND闪存在容量上可以与DRAM相抗衡，但就连NOR闪存也不敢和SDRAM比较性能。但是，假如MRAM（FeRAM在性能上要比MRAM差一些）发展成熟后，它的发挥领域就将迅速扩大。比如在网络存储中，除了传统的WORM（Write Once-Read Many）存储/磁带机市场可以让NVRAM进入外，假如磁盘阵列使用MRAM为缓存，将可避免因忽然断电所造成的影响。而在当前，为了消除这种影响，网络存储系统无一例外的配备了不间断电源（UPS）来进行保护，对于MRAM，它们就可以退休了。
