梦幻记忆体惊喜不断，人人有机会个个没把握

日本经产省2021年决定把MRAM纳入日本政府的半导体振兴计画之中。市调机构Yole Développement预估，2024年磁阻随机存取记忆体(MRAM)市场规模可达到12亿美元，使得非挥发性记忆体(NVM)的重要性再度被外界重视。

MRAM读写以自旋电子进行操作，具有耗电较少、零待机耗能、非挥发、高耐用性等优点，三星电子(Samsung Electronics)更宣称已经找到改善磁性穿隧接面(MTJ)功能的方法，让MRAM应用扩大到汽车、穿戴式装置、绘图记忆体、低阶层快取(LLC)、物联网(IoT)系统、边缘人工智慧(Edge AI)。

MRAM最早就是由专精于研究自旋电子(Spintronics)的日本东北大学(Tohoku University)在1990年代先投入研发；过去以磁带享有盛名的日本TDK，更握有整套MRAM生产技术。美国半导体公司Freescale则在2006年率先推出4Mb的商用MRAM。2007年Albert Fert 和Peter Grünberg拿到诺贝尔物理学奖后，MRAM的理论如何实践成了学界和业界共同的目标。

2016年开始，随着人工智慧、物联网装置与更多的资料收集与感测需求，以及三星电子、英特尔(Intel)、台积电、Global Foundries等大厂相继投入，又使嵌入式MRAM(Embedded MRAM)的前景被看好，搭配微控制单元(MCU)与系统单芯片(SoC)，达到最佳的效能。外传台积电近期也将发表最新的16奈米嵌入式STT-MRAM。

台大材料系副教授白奇峰接受DIGITIMES专访时表示，MRAM为非挥发性记忆体(NVM)，读写以自旋电子进行操作，从第一代Toggle MRAM、第二代STT-MRAM到第三代SOT-MRAM等不断演进。当产业界进入STT-MRAM量产时，学界的研究重点就放在SOT-MRAM。

磁性穿隧接面(Magnetic Tunnel Junctions ,MTJ)是MRAM的基本结构。SOT-MRAM有几个挑战，包括体积比STT-MRAM大，电流也进不到MTJ。目前台大材料系和物理系的团队正和台积电合作，希望能找到新材料提高SOT-MRAM的效能。不过白奇峰表示，材料能不能进半导体产线也是一大问题，有的材料无法和CMOS整合，甚至会污染产线，许多技术性的问题都还未解决。

MRAM制程另一个大挑战就是密度，如果密度可以提高，低耗能方面能再进步，MRAM会更有市场。SOT-MRAM要在芯片上外加磁场才能写入，这是很不合理的。清大材料系教授赖志煌的研究就是要把外加磁场去掉。赖志煌的团队找到突破点，就是善用自旋流。电子具有电荷，也具有自旋：当电荷流动时，即会产生熟悉的电流，若有办法驱动自旋流动，即可产生自旋流。利用自旋流通过铁磁-反铁磁膜层来操控元件「交换偏压」的方向与大小。

国际上MRAM的演进还在持续中，例如日本东北大学教授远藤哲郎的MRAM研发团队，把MRAM的功耗降到比DRAM与SRAM更低，且在奈秒(10亿分之1秒)等级下，也达到与DRAM相当的运作速度。在微控制器(MCU)搭配嵌入式MRAM可让耗能降低到既有芯片的50分之1以下。

日本产业技术综合研究所(AIST)也宣布取得MRAM技术突破，发展出单晶MTJ元件，不但让MRAM更加精细化，也可应用在电压控制式记忆体(VCMRAM)与量子电脑的超导量子位元。至于三星也宣布其目标，要把MRAM的晶粒(die)体积缩小到SRAM 的40%，读写速度需低于20奈秒。

在MRAM设备和材料方面也有进展，除了应材(Applied Materials)、默克(Merck)，东京威力科创(TEL)和爱德万测试(Advantest)也已做好准备。铠侠(Kioxia)与SK海力士(SK Hynix)也要进行MRAM共同研发计画。台积电的MRAM调校与生产也正如火如荼展开中，并致力于提高良率。据传2021年已经有穿戴式产品的品牌客户决定采用台积电的MRAM，这应该是台积电第一个MRAM客户。

白奇峰表示，次世代记忆体其实还没有很好的商业模式，台大材料系和材料研究所毕业的学生有不少人选择在台积电做MRAM研发和制造，不论MRAM或可变电阻式随机存取记忆体(RRAM)，要做得比现有的SRAM好，并且达到上级要求的写入电流控制、良率，研发人员的确需要很努力。况且，技转国外的技术和制程配方的变数就是环境不同，良率就不可能一样，都需要靠人力花时间去调校。

MRAM梦幻记忆体之所以备受期待，是因为其存取速度接近SRAM，具快闪记忆体的非挥发性特性，平均能耗却远低于DRAM。白奇峰指出，目前学界做SOT-MRAM研究，主要也是观察自旋霍尔效应(Hall effects)，希望用制程改变特性，让MRAM的效率更高。以前学界做MRAM要做数位，发现很难做之后就回头做类比。但最终目标如果是要取代SRAM，还是要做数位的MRAM，只不过在技术上还有很多障碍有待解决。

白奇峰指出，从目前的市场趋势来看，虽然各大半导体公司都投入MRAM，但外部环境是否有利MRAM发展或扩大也有疑问。例如AI仿生芯片可以搭配使用RRAM，使用现有的记忆体也能模拟。硬碟逐渐被固态硬体(SSD)取代后，磁性芯片的未来也面临市场的考验。此外CPU的进步需要微缩，但DRAM几乎没有这个问题，增加数量即可满足需求。

MRAM可能会用到非常高阶的手机，但市场可能不大。美国纽约大学技转的新创公司Spin Transfer Technologies(STT)，后来改名Spin Memory，在加州有8吋厂，曾拿到应材创投(Applied Ventures)和Arm的资金和协助。该公司还曾来过台湾参加新创募资简报，不料2021年把所有资金烧光，公司被迫解散。白奇峰表示，在美国一直烧钱的新创公司很常见。重点在于技术有没有到位。该公司想把IP卖给大公司，但一直没有办法验证，直到真的投片才发现结果很糟，投资人不愿意再掏钱，要求该公司把Fab Line收掉。

白奇峰与博士生陈天玥曾与工研院电光系统所的记忆体研发团队展示台湾第一批SOT-MRAM元件，并且在IEEE Electron Device Letters发表论文。根据政府研究资讯系统的登录，台湾投入MRAM及相关计画主持人包括赖志煌、曾院介、吴志毅、吕明璋、邹耀东、陈恭、张庆瑞、张原豪、林崇荣等人。