進入10nm工藝制程之后，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，半導體芯片產業(yè)發(fā)展遇到了技術瓶頸。而以MRAM為代表的自旋芯片卻在快速發(fā)展，在后摩爾時代，自旋芯片有可能突破微電子器件的限制，成為主流芯片嗎？

自旋芯片熱

自旋芯片具有高集成化、低功耗、高速度、高靈敏度、防輻射等優(yōu)點，可將信息獲取、傳遞、處理、存儲等環(huán)節(jié)有機地結合在一起，具有巨大的市場前景。據介紹，傳感器芯片、磁電信號耦合芯片、磁性邏輯及磁隨機存儲芯片等自旋芯片市場規(guī)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為代表的自旋芯片研發(fā)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(yè)紛紛涌入，杭州馳拓、上海磁宇、中芯國際等國內企業(yè)也在積極布局，開展相關研究及產業(yè)化工作。

其中一些企業(yè)已經取得了產業(yè)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(guī)模量產。不甘落后的SK海力士、英特爾、格芯也掌握了22nm嵌入式MRAM的量產工藝。MRAM正成為存儲芯片巨頭爭奪的新高地。

中國企業(yè)在自旋芯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制備國內首個80nm STT-MRAM器件。2018年，杭州馳拓、上海磁宇、中芯國際、華為等籌建自旋芯片的研發(fā)、生產線。2020年，臺積電在ISSCC 2020上呈現了基于ULL 22nm CMOS工藝的32Mb嵌入式STT-MRAM。長江存儲、長鑫存儲、兆易創(chuàng)新自旋芯片處于前期研發(fā)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，中國自旋芯片產業(yè)與國外差距較大，目前尚無商用自旋芯片出貨，全球MRAM專利申請前50均為國外機構或個人。

存諸多挑戰(zhàn)

自旋芯片中的MRAM（磁隨機存儲器）共經歷了MRAM、STT-MRAM、MeRAM等三個發(fā)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(yè)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、器件制備、電路設計及系統(tǒng)級整合等方面的挑戰(zhàn)。

STT-MRAM器件制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制造技術和工藝，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(fā)，可能沉積在晶圓上，產生黏物，導致STT-MRAM短路。蝕刻后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芯片設計同樣是一道坎。STT-MRAM芯片設計時需要在存儲單元的熱穩(wěn)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，并保持數據存儲的熱穩(wěn)定性。

STT-MRAM芯片還需要平衡電流、MTJ以及誤碼率等三者的關系。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，并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(zhàn)，但是MRAM與其他類型存儲器相比具有明顯優(yōu)勢。閃存具有非揮發(fā)、可擦寫優(yōu)點，但是讀寫速度太慢；動態(tài)存儲（DRAM）具有高速讀寫、高密度優(yōu)勢，但是功耗較高；靜態(tài)存儲（SRAM）具有高速讀寫、低功耗優(yōu)點，但是成本較高；只讀存儲器（ROM）具有非揮發(fā)優(yōu)點，但是不可擦寫；隨機讀寫存儲器（RAM）具有可擦寫優(yōu)點，但是易揮發(fā)。而自旋式磁存儲器（STT-MRAM）集中了Flash和RAM的優(yōu)點，具有非揮發(fā)、讀寫快、低功耗、無限次擦寫、成本低于SRAM等優(yōu)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，自旋芯片兼具SRAM的高速度、DRAM的高密度和Flash的非易失性等優(yōu)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(fā)展過程中，一直有人認為有其他存儲芯片技術可以取代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(fā)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，邏輯和存儲處于分離狀態(tài)，現有的晶體管技術已經能夠實現幾個納米制程，包含數十億個晶體管的邏輯電路，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，自旋芯片都無法替代現有的主流芯片，只能應用于某些特定需求的領域。
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