新创公司企图以STT-RAM取代今日主流内存

今日主流内存技术的末日即将来临？一家专精自旋转移力矩随机存取内存(spin transfer torque random access memory， STT-RAM)的美国硅谷新创公司 Grandis 日前发表了更新的产品蓝图，并宣示以这种新一代 MARM 取代 DRAM 甚至 NAND 闪存的雄心。

不过有分析师指出，已被改变到某个程度的 Grandis 蓝图，意味着新内存技术可能会花上比预期更久的时间问世。

总部在加州Milpitas的 Grandis 是一家IP与组件供货商，该公司开发的 STT-RAM 技术号称结合了 DRAM 的成本优势、 SRAM 的快速读写性能以及闪存的非挥发性，能解决第一代磁场交换式 MARM 的主要缺点。

Grandis 总裁暨执行长Farhad Tabrizi最近在接受EETimes美国版编辑专访时，对其企图心毫不讳言：“我们正专注在将 STT-RAM 推向商业化。”他指出：“ STT-RAM 有庞大的市场潜力成为通用、可扩展的内存，它能在45纳米节点取代嵌入式 SRAM 以及闪存，在32纳米节点取代DRAM，最终成为NAND的替代品。”

但市场研究机构Forward Insights的分析师Gregory Wong认为，Grandis的STT-RAM虽是一种具潜力的技术，但该公司是否能达到其目标还有待时间观察：“STT-RAM是否能取代DRAM或 NAND是一个经济学问题。”

多年来，包括铁电内存(FeRAM)、磁性内存(MRAM)、相变化内存与电阻式内存(RRAM)等各种内存的开发者，都各自宣称他们的技术最终将成为通用内存，并取代现有的内存技术。但大多数新一代内存都无法准时上市，也无法达到所宣称的效果。再加上现有内存技术也持续升级，更排除了市场对新一代内存的需求。

“诸如FRAM、MRAM与相变化内存等技术，都有很大的机会取代现有内存；而唯一所需的就是将成本降到低于现有内存的水平。这听起来很简单，实际上非常困难，是阻碍这些技术达到临界值量的一大挑战。”Objective-Analysis的分析师Jim Handy表示。

在这些内存技术中，MRAM的声势突然高涨；MRAM是一种利用电子自旋的磁性提供非挥发性的内存，这种技术据说有无限的耐久性。但到目前为止，MRAM被证实很难达到大量生产。

STT-RAM 算是第二代的磁性随机存取内存技术，且号称解决了部分传统MRAM架构所遭遇的问题。现今大多数MRAM写入数据的原理，是透过利用一道电流通过邻近穿隧磁阻(tunneling magnetoresistive，TMR)组件之电线所产生的磁场，来改变其磁性；Grandis指出，这种机制的运作速度快，但十分耗电，而该公司则开发出一种完全不同的方法。

目前打算投入MRAM领域的公司还包括Avalanche、Crocus Technology、Hynix、IBM-TDK、Renesas、Samsung与Toshiba等等，但到目前为止市场上只有一家公司的MRAM产品，即从Freescale Semiconductor独立而出的Everspin Technologies。

Everspin 最近表示，该公司迄今最高容量的16Mbit MRAM产品已经开始送样，适合工业与嵌入式等领域的数据保存相关应用，可望取代电池供电的SRAM或是相关的离散式解决方案，可能受威胁的厂商包括 Cypress、ISSI、Maxim、ST、TI等。

在Grandis 这厢，该公司计划授权技术，或是生产采用STT-RAM的独立组件。其STT机制是采用自旋极化(spin-polarized)电流来切换磁位，据说这种方法的耗电量较低，可扩展性也较大；STT-RAM写入数据的原理，是藉由校准通过TMR组件的电子自旋方向。

在2005年，Renesas取得Grandis 的IP授权着手开发STT-RAM的嵌入式应用；接下来到2008年，Hynix也取得Grandis 的IP授权，准备开发单机式的STT-RAM应用方案。Grandis目前在自家晶圆厂为Hynix试产，并宣布设置了12吋晶圆磁隧道结(MTJ)生产线；根据业界消息，Hynix也在韩国的晶圆厂试产STT-RAM。

今年Grandis也达成了与美国国防部高等研究计划局(DARPA)合约的第一阶段，包括以低于0.25 pJ 的耗电量示范STT-RAM写入数据，以及5奈秒(nanosecond)的读写速度、高于60 kBT的热稳定性，以及在相同位上、加总预计耐力达到1,016次读写周期。该公司表示，事实上他们达到的读写速度范围是在1奈秒到20奈秒之间。

最近Grandis还开发了一款90纳米制程、256kbit的组件；其写入电流高于200 microAmps，读写速度20奈秒，耐久性为1,013次周期。根据该公司的蓝图，今年他们打算推出64-megabit版本的STT-RAM，采用 54纳米制程技术、单位尺寸为14F2，期望能取代嵌入式SRAM。

接下来到2011年，Grandis更希望能发表采用45纳米制程、8F2单元尺寸的1Gbit产品，以取代嵌入式NOR、PSRAM与行动 RAM。到了2012年，该公司则希望能完成32纳米制程、6F2单位尺寸的2Gbit与4Gbit产品，以取代现今的DRAM；而届时的DRAM应该已经进展到采用30纳米以下制程。

再来到2014年，Grandis期望可发表22纳米制程、4F2单元尺寸的4Gbit与8Gbit产品，并在某些特定应用上取代今日的NAND。 “我们不预期可在五年内取代NAND；”身为公司执行长，Tabrizi预见STT-RAM将涉足高阶企业应用领域：“终有一天，STT-RAM可能被用以做为能与NAND闪存匹敌的储存级(storage-class)内存。”

Grandis指出，在短期之内，STT-RAM能在行动应用中以单芯片取代MCP形式的内存，是一种具潜力的技术。Forward Insights的Wong则以分析师角度表示，该种内存在特性上属于非挥发性RAM，与传统MTJ MRAM相较，写入电流低了许多、制程微缩的范围也更大，不过却需要更薄的穿隧阻障层(tunnel barrier)，该种介质的厚度与一致性是关键。

Wong以Grandis的上一版产品蓝图作为比较，指出该公司的技术发展时程其实稍微有些落后：“我有一份该公司以2007年为起点的旧版蓝图，他们原本要在今年发表45纳米、12F2产品，但却推迟到了2011年。”

他并指出，Grandis的技术有希望挑战DRAM，但要取代NAND则又是另一回事：「STT-RAM需要至少为缩到6F2单元尺寸，才有机会超越DRAM一个世代；而NAND的挑战性又更高了，因为目前该技术的MLC版本是次6F2单元尺寸、每单位3位(three-bits-per- cell)。」