「芯視野」後摩爾時代,自旋晶片能否成為主流晶片?

2020-12-28 愛集微APP

進入10nm工藝製程之後，摩爾定律似乎失效了，處理器性能翻一倍所需時間由原來的兩年延至三年，半導體晶片產業發展遇到了技術瓶頸。而以MRAM為代表的自旋晶片卻在快速發展，在後摩爾時代，自旋晶片有可能突破微電子器件的限制，成為主流晶片嗎？

自旋晶片熱

自旋晶片具有高集成化、低功耗、高速度、高靈敏度、防輻射等優點，可將信息獲取、傳遞、處理、存儲等環節有機地結合在一起，具有巨大的市場前景。據介紹，傳感器晶片、磁電信號耦合晶片、磁性邏輯及磁隨機存儲晶片等自旋晶片市場規模有望超過1000億美元。

面對巨大的市場空間，全球掀起了以MRAM為代表的自旋晶片研發熱潮。三星、SK海力士、美光、格羅方德、Freescale、IBM、英飛凌、TDK、東芝、索尼、瑞薩等眾多海外高科技企業紛紛湧入，杭州馳拓、上海磁宇、中芯國際等國內企業也在積極布局，開展相關研究及產業化工作。

其中一些企業已經取得了產業化成果。三星2019年開始量產28nm嵌入式MRAM，未來兩三年內將進入更大規模量產。不甘落後的SK海力士、英特爾、格芯也掌握了22nm嵌入式MRAM的量產工藝。MRAM正成為存儲晶片巨頭爭奪的新高地。

中國企業在自旋晶片領域也有一些成績。2017年，北京航空航天大學與中國科學院微電子研究所聯合成功製備國內首個80nm STT-MRAM器件。2018年，杭州馳拓、上海磁宇、中芯國際、華為等籌建自旋晶片的研發、生產線。2020年，臺積電在ISSCC 2020上呈現了基於ULL 22nm CMOS工藝的32Mb嵌入式STT-MRAM。長江存儲、長鑫存儲、兆易創新自旋晶片處於前期研發階段，沒有進入量產。賽迪智庫集成電路研究所黃陽棋博士表示，中國自旋晶片產業與國外差距較大，目前尚無商用自旋晶片出貨，全球MRAM專利申請前50均為國外機構或個人。

存諸多挑戰

自旋晶片中的MRAM（磁隨機存儲器）共經歷了MRAM、STT-MRAM、MeRAM等三個發展階段。北京航空航天大學集成電路科學與工程學院院長趙巍勝表示，目前，MRAM、STT-MRAM已經產業化，其中MRAM在航天航空領域具有廣泛的應用，STT-MRAM也實現量產，但是仍臨著材料、器件製備、電路設計及系統級整合等方面的挑戰。

STT-MRAM器件製備過程中具有諸多技術難點。魯汶儀器一員工表示，STT-MRAM可兼容現有的CMOS製造技術和工藝，但是其磁性材料蝕刻時，鈷鐵硼薄膜等磁性材料刻蝕時不易揮發，可能沉積在晶圓上，產生黏物，導致STT-MRAM短路。蝕刻後ST-MRAM兩層絕緣的氧化鎂可能會與空氣中的水氧、二氧化碳反應使ST-MRAM改性。

STT-MRAM晶片設計同樣是一道坎。STT-MRAM晶片設計時需要在存儲單元的熱穩定性和翻轉電流閾值兩者之間進行權衡，讓STT－MRAM存儲單元的電流密度降低，並保持數據存儲的熱穩定性。

STT-MRAM晶片還需要平衡電流、MTJ以及誤碼率等三者的關係。從結構上看，STT-MRAM存儲單元的核心是一個MTJ，其中MTJ是由兩層不同厚度的鐵磁層及一層幾個納米厚的非磁性隔離層組成，並通過自旋電流實現信息寫入。隨著存儲單元尺寸的減小，信息寫入就需要更大的電流。更大的電流將增加功耗，限制寫入信息的速度。

此外，目前，STT-MRAM良率不高，產能不大，導致單個STT-MRAM器件價格非常高，難以進入消費級應用市場。

能否成主流？

雖然MRAM存在諸多挑戰，但是MRAM與其他類型存儲器相比具有明顯優勢。快閃記憶體具有非揮發、可擦寫優點，但是讀寫速度太慢；動態存儲（DRAM）具有高速讀寫、高密度優勢，但是功耗較高；靜態存儲（SRAM）具有高速讀寫、低功耗優點，但是成本較高；只讀存儲器（ROM）具有非揮發優點，但是不可擦寫；隨機讀寫存儲器（RAM）具有可擦寫優點，但是易揮發。而自旋式磁存儲器（STT-MRAM）集中了Flash和RAM的優點，具有非揮發、讀寫快、低功耗、無限次擦寫、成本低於SRAM等優勢。

中國科學院院士，南京大學物理系教授、博士生導師都有為認為，自旋晶片兼具SRAM的高速度、DRAM的高密度和Flash的非易失性等優點，其抗輻射性被軍方所青睞，原則上可取代各類存儲器的應用，成為未來的通用存儲器。

魯汶儀器一員工指出，目前，MRAM主要在軍工、大數據高性能存儲等領域有一些應用，但是隨著工藝成熟，成本的降低，MRAM有機會取代DRAM。

實際上，在DRAM、 Flash發展過程中，一直有人認為有其他存儲晶片技術可以取代DRAM、 Flash，但是都沒有成功。趙巍勝指出，DRAM、 Flash會隨著新技術的引入不斷發展，例如，DRAM技術因為EUV光刻機的使用得以進步。目前MRAM雖然擁有IoT、車載、航空航天等特定應用場景，但是能否成為大綜產品尚有疑問。

黃陽棋也認為，當前的計算架構下MRAM不會成為主流。因為在當前的計算架構下，邏輯和存儲處於分離狀態，現有的電晶體技術已經能夠實現幾個納米製程，包含數十億個電晶體的邏輯電路，同時現有的存儲能夠以足夠低的成本做到TB量級。在邏輯或者存儲方面，自旋晶片都無法替代現有的主流晶片，只能應用於某些特定需求的領域。（校對/鄺偉鈞）

相關焦點

  • 摩爾定律或在2025年迎來終點 中國晶片如何突圍?
    3「後摩爾時代」，中國晶片如何突圍？「後摩爾時代」，中國晶片的機會在哪裡？自1965年摩爾提出此觀點後，晶片性能的提升基本以每5年增長10倍，每10年增長100倍的速度前進。 但是，製程工藝從22nm進入「後摩爾時代」，摩爾定律開始放緩，英偉達創始人黃仁勳甚至在CES2019上表示，摩爾定律每年只能增長几個百分點，晶片性能的增速已降至每10年可能只有2倍。
  • 麒麟晶片成「絕響」,但華為也有機會絕境逢生
    這意味著，今年秋天，即將上市的華為新款旗艦手機 Mate 40，其搭載的麒麟 9000 晶片，將成為華為麒麟高端系列晶片的「絕唱」，華為麒麟高端晶片絕版了。餘承東形容經歷了兩輪制裁後的華為，就像捆住了「手」，又接著被人捆住了「腳」，手和腳都被捆上，卻還要「又扭腰又扭屁股」地去和別人進行遊泳比賽。「所以，華為的狀況非常艱難。」
  • 晶片破壁者(六):摩爾定律的新世紀變局與無限火力
    3D電晶體時代的開啟，又一次將摩爾定律推後了數年。第三次續命：全球聯動EUV，只為撬出突破口「摩爾定律」的舒坦日子還沒過多久，新的催命符又來了。國際半導體技術發展路線圖更新後大家發現，增長在2013年年底又放緩了。進入三維結構之後，晶片工藝無法嚴格按照既定的路線升級製程工藝。
  • 清華大學微電子學研究所所長魏少軍:晶片技術尚不可替代 摩爾定律...
    他指出晶片是技術創新的高地，雖然晶片產業現有技術路徑面臨著物理、功耗等極限問題，但摩爾定律將長期有效，在可預見的未來，尚沒有能夠替代集成電路技術的其他技術出現。新技術因晶片而生，老技術因晶片而亡作為最為知名的產業發展定律，摩爾定律指引了晶片產業50餘年的發展.截至2019年年底，按照這一定律，一個晶片上已經可以集成687億個電晶體，這是一個天文數字。「由於摩爾定律，我們將會重建所有的物質性基礎設施。」
  • 中科藍訊推出「訊龍」系列晶片:低功耗、立體聲、主動降噪,主打...
    近日，中科藍訊與阿里平頭哥的一則合作信息讓中科藍訊這家新晉的晶片設計公司浮現出大眾視野。成立於 2016 年的中科藍訊在此之前一直深耕藍牙晶片設計，旗下系列晶片已應用於不少藍牙耳機、藍牙音箱等產品。此次全新推出的「訊龍」系列晶片將主要定位高端 TWS 耳機，可針對目前主流的主動降噪、立體聲、多功能等方向需求提供不同系列解決方案。
  • 36氪首發丨蜂窩物聯網晶片公司「智聯安」完成近億元A+輪融資,加速...
    36氪獲悉，蜂窩物聯網晶片公司「智聯安」已於近日完成近億元A+輪融資。本輪融資投資方為SIG海納亞洲創投基金，所募集資金將主要用於公司發展商業化並加大晶片測試及研發投入。「智聯安」全稱北京智聯安科技有限公司，成立於2013年9月，是一家物聯網應用領域晶片解決方案提供商，專業從事晶片設計，總部位於中國北京，在矽谷、武漢、合肥等多地設有子公司和技術研發中心。
  • 「主編講堂」說說讓我們人仰馬翻的「晶片」是什麼
    這就說明很多人雖然椎心痛恨，但並不知道晶片到底是個什麼東西，今天咱試著為大家理一下晶片的前世今生。顯然，佔用面積大、無法移動是它最直觀和突出的問題，那麼，能否減小它的體積呢？電晶體的發明使這種想法成為了可能，1947年在美國貝爾實驗室製造出來了第一個電晶體，而在此之前要實現電流放大功能只能依靠體積大、耗電量大、結構脆弱的電子管。電晶體具有電子管的主要功能，並且克服了電子管的上述缺點，因此在電晶體發明後，很快就出現了基於半導體的集成電路的構想。
  • AMD從小晶片CPU走向小晶片GPU
    ，尤其是在人工智慧、機器學習和大數據分析等新興應用提出更高的性能要求後。而為了減少生產和開發成本，提高良率，不少CPU製造商都開始看向小晶片。   2020年的最後一天，AMD公布了自己在小晶片GPU上的專利，引起了不少熱議。大家都在猜測，小晶片是否能成為後摩爾時代晶片設計創新的利器呢？
  • 晶片戰爭2020:軍備競賽跨入百億美元俱樂部
    來源：錦緞作者：愚老頭 一個大時代來臨前，我們往往一無所知。你看著你所熟知的這一切，看著舊時代的背影漸行將遠，滿以為還會再見，然而，一個轉彎就是永別。2020年的這一場疫情，這個世界改變了很多。除了製程之外，還有晶圓尺寸的大小，像面板尺寸一樣，晶圓的面積越大，每一片晶圓產出的晶片數就越高，單位成本也越低，當製程的進步受限制的時候，晶圓廠就會通過加大晶圓尺寸來降低單位晶片的成本。當前晶片代工廠主流的產品線是12英寸線，上一代是8英寸線，下一代是18英寸線。
  • 晶片不能大躍進
    一名前員工對《IT時代周刊》回憶，李德磊曾說「方舟3號」是狗屎，國產CPU無市場。他還給員工們算了一筆帳：小靈通晶片每年出售上千萬片，幾年利潤可以上億美元。 而此前，「方舟3號」已被列入國家的「863課題」，政府撥了研發經費1538萬元。晶片產業前期離不開燒錢，按說1000多萬也不算大數目。
  • 在石墨烯晶片領域,國產晶片能否實現彎道超車?
    目前，晶片製造依然是以矽為主要材料，要想製造出高端晶片，必須用到光刻機，這就需要從擁有最先進光刻技術的荷蘭AMSL公司手中購買，但由於多種原因，導致我國購買高端光刻機非常困難。普通晶片是指矽基晶片，該領域被歐美國家主導。
  • 主流手機的芯 高通MSM8255晶片組簡析
    高通作為現階段移動晶片組的巨頭，從前期的中低端晶片組MSM7227、MSM7200A等（詳見《主攻入門市場：高通中低端晶片組簡析》），已經成功過渡到了後期的Snapdragon系列，並且Snapdragon系列也已從第一代順利過渡到了第二代，同時第三代成品機型HTC Pyramid
  • ...元類腦計算機:基於792顆自研「達爾文2代」晶片,可「意念」打字
    類腦計算機將成為未來計算的主要形態和重要平臺。2020 年 9 月 1 日，我國首臺基於自主智慧財產權類腦晶片的類腦計算機重磅發布。在此之中，包含著 792 顆浙江大學研製的「達爾文 2 代」類腦晶片。實際上，脈衝神經網絡類腦晶片「達爾文 2 代」於 2019 年 8 月發布。
  • 5G時代「中國式崛起」,國產光通信晶片奮起直追
    中高端晶片國產化和市場佔有率是近期目標在國內通信設備廠商的強勢助攻下，中國成為世界上最大的光器件消費大國，市場佔比約為35%。「這些都對光傳輸晶片提出更高的要求，而高速率、高性能、高集成度、低成本、低功耗是對光傳輸晶片永恆不變的苛求。」他強調，「通過提升電晶片的性能來降低光晶片的門檻也是大幅降成本的有效手段，因此，電晶片技術趨勢需要超前於應用場景需求。」在工藝方面，與其他晶片相比，光傳輸電晶片主流採用SiGe工藝來滿足其對高性能和低功耗的要求。
  • 36氪獨家|「杭州國芯科技」完成數億元C輪融資,AI晶片已進入「人...
    36氪獲悉，「杭州國芯科技」今日正式宣布獲得數億元人民幣C輪融資。本輪融資由中信證券投資領投，高榕資本、海爾資本、耀途資本跟投，A輪投資機構繼續加碼跟投。融資資金將主要用於拓展行業場景。國芯科技成立於2001年，是全球領先的機頂盒晶片供應商之一，開發的數字機頂盒晶片，產品累計出貨近4億顆，全球大多數國家都能找到搭載國芯科技晶片的產品。據公司介紹，2019年，國芯科技的機頂盒晶片發貨量超過3千萬顆，在多個細分市場的出貨量佔據業界領先的市場份額。同時，人工智慧也是國芯科技重點投入的新方向。
  • 聚焦NOR Flash晶片研發,「恆爍半導體」推出50nm高速低功耗產品
    近年來，NOR Flash晶片在手機、PC、機頂盒、網絡設備及物聯網設備、AMOLED、TDDI、汽車電子、TWS耳機等領域的應用也越來越廣。另外，國際存儲巨頭紛紛淡出中低容量NOR Flash市場，國內企業也迎來新一輪發展機遇。近期，36氪接觸到了一家以NOR Flash為主要產品的晶片企業「恆爍半導體」。
  • 我國已經研究出第一臺量子計算機,未來在晶片上能否彎道超車?
    那非晶片莫屬，特別是對那些高精尖產品來說，絕大多數產品都離不開晶片，晶片可以說是這些高精尖產品的大腦，沒有了大腦，這些產品都會陷入癱瘓的狀態。我國晶片需求龐大，卻沒法自己生產高端晶片。我國作為全球最大的製造業國家以及全球最大的外貿出口國家，我國每年的晶片消費是非常龐大的，但是目前我國有很多晶片都不能自己生產，按照目前我國的晶片製造能力，我們只能生產一些中低端的晶片，也就是14納米以下的晶片，對那些高端晶片，比如7納米5納米晶片仍然嚴重依賴進口，即便我國有些企業能夠自主研發出這些高端晶片，但是想要把它生產出來，仍然要委託給臺積電等一些晶片製造廠家進行生產
  • 這家公司18個月打造首款晶片
    2000年，從復旦電子工程系畢業後，張亞林就開始了在上海張江集成電路孵化樓火炬創業園的職業生涯。他先進入了上海奇碼數字信息有限公司，設計了多個系列的機頂盒晶片。2008年加入超威半導體（AMD），成為AMD全球晶片研發的主要負責人之一，主機遊戲玩家熟悉的Xbox-One系列主機的晶片，就是張亞林帶領全球團隊設計的。
  • 張亞勤:深度學習更近一步,如何突破香農、馮諾依曼和摩爾瓶頸?
    隨著數據的海量爆發，如何突破目前的算力，成為了一代又一代科學家攻克的關鍵，香農定律、馮諾依曼架構和摩爾定律奠定了傳統計算與通訊範式，如何突破已經接近極限的三種理論？張亞勤表示，需要通過對信息的重新定義，制定新的計算範式、計算體系和通訊架構，而他們又給產業帶來了新的機會。為此，中國需要抓住機會，引領數位化的 3.0 時代和第四次工業革命浪潮。