SSD極限開機(jī)？看看新一代MRAM拆解

長(zhǎng)久以來(lái)，我們這些缺乏耐性的人，一直期待著所有消費(fèi)電子產(chǎn)品的開機(jī)時(shí)間能盡量縮短，愈快愈好。剛剛才打入消費(fèi)市場(chǎng)的固態(tài)硬碟（SSD），已經(jīng)能大幅縮減使用者等待開機(jī)或?qū)C(jī)器從睡眠中喚醒的時(shí)間，事實(shí)上， SSD 已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)極短時(shí)間的開機(jī)，或是瞬間喚醒機(jī)器。

目前， SSD 仍然以非揮發(fā)性記憶體（NVM）為主，主要採(cǎi)用快閃記憶體。儘管與傳統(tǒng)硬碟相比，快閃記憶體的速度提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但今天在使用 SSD 開機(jī)時(shí)還需要等待一會(huì)兒。這也暴露出一個(gè)事實(shí)──在與ROM或DRAM相比時(shí)，快閃記憶體的讀取速度顯然遜色許多。

2000年中，非揮發(fā)性記憶體領(lǐng)域出現(xiàn)了一匹黑馬──磁阻式隨機(jī)存取記憶體（MRAM），它強(qiáng)調(diào)高可靠性、趨近無(wú)限的使用壽命、低功耗、更廣的工作溫度範(fàn)圍，而且更重要的是，它的讀取時(shí)間快到能媲美 DRAM 。這些特性讓 MRAM 成為眾所矚目的焦點(diǎn)，吸引數(shù)家公司投入開發(fā)，希望製造出在密度和速度方面都能與其他主流非揮發(fā)性記憶體競(jìng)爭(zhēng)的嶄新元件。 Everspin 正是其中一家企業(yè)，該公司已經(jīng)推出商用化的 MRAM 產(chǎn)品。

磁穿隧結(jié)（Magnetic Tunnel Junction， MTJ）是在MRAM儲(chǔ)存資訊的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)MTJ是由兩個(gè)被薄型穿隧介電質(zhì)隔開的磁性層所組成。資訊會(huì)在磁性層上依照磁化向量的方向儲(chǔ)存。位在一個(gè)磁化層上的磁性向量是磁性固定（magnetically fixed）或被固定（pinned）的，此時(shí)其他層則是磁性自由，可在相同和相反方向之間進(jìn)行開關(guān)，分別稱之為「平行」或「反平行」?fàn)顟B(tài)。當(dāng)在固定和自由層之間施加小的偏置電壓時(shí)，穿隧電流便會(huì)流經(jīng)位于中間的薄介電層。而其磁性記憶體單元會(huì)透過(guò)響應(yīng)平行和反平行狀態(tài)，呈現(xiàn)出兩種不同的阻值。因此，藉由檢測(cè)電阻變化， MRAM 元件便能提供儲(chǔ)存在磁性記憶體單元中的資訊。

圖1：Everspin MRAM封裝的X光影像。

MTJ結(jié)構(gòu)被整合到另一個(gè)典型CMOS積體電路的互連部份。在寫入過(guò)程中，選定的MTJ會(huì)置于所選擇的寫入字線和選定的位元線之間。當(dāng)電流經(jīng)過(guò)所選的字線和位元寫入線，便會(huì)在這些線的周圍建立磁場(chǎng)。而在選定MTJ的上磁場(chǎng)向量總和必須足夠切換狀態(tài)。不過(guò)，沿著選定的字線或位元寫入線產(chǎn)生的磁場(chǎng)也必須足夠小，以確保不會(huì)切換到俗稱的「半選」（half selected ） MTJ狀態(tài)。所謂半選狀態(tài)僅作用在所選擇的字線與位元寫入線周圍。

2006年， UBM TechInsights 曾拆解過(guò)飛思卡爾的 MRAM 元件，該元件具有一個(gè)尺寸約26mm2的晶粒，密度為4Mb。與其他的 NVM 技術(shù)相比，其晶粒效率似乎較低，這主要是由于其架構(gòu)設(shè)計(jì)，需要相當(dāng)龐大的開銷所致。而今，由飛思卡爾成立的 Everspin Technologies 推出了16Mb的 MRAM 元件，其晶粒尺寸僅為58mm2──尺寸僅提高二倍，但效能卻提升四倍。通常，增加密度的主要方法之一，是微縮製程。

然而，在推出16Mb的封裝元件后，我們可以看到，該公司并不是因?yàn)閽?cǎi)用先進(jìn)製程技術(shù)而提升密度；其16Mb和4Mb的元件都共用主流的微影製程，而且單元尺寸相同。看起來(lái)，過(guò)小的製程可能會(huì)導(dǎo)致半選問(wèn)題。 Everspin 公司採(cǎi)取的方法是重新設(shè)計(jì)架構(gòu)，拿掉了一個(gè)背部的互連層，用改良過(guò)的電路來(lái)最小化讀、寫和擦除資料所需的開銷。

圖2：Everspin的MRAM晶粒圖。

Everspin聲稱該公司2011年的MRAM出貨量成長(zhǎng)了300%，獲得250個(gè)新的設(shè)計(jì)訂單（design win），其中包括戴爾、LSI和BMW等。而用于下一代MRAM的技術(shù)──自旋力矩（Spin-torque），則可望加快讀/寫速度并提高密度。這是否有可能在未來(lái)讓MRAM真的能取代快閃記憶體，成為SSD的關(guān)鍵記憶體，再縮短開機(jī)時(shí)間？我們很快就會(huì)知道答案。SSD市場(chǎng)正在快速成長(zhǎng)，因此，這個(gè)產(chǎn)業(yè)勢(shì)必需要更高速的記憶體。