密度提升20倍 IBM和TDK开启MRAM研发四年计划

“在过去的几年里，我们已经取得了一些隧道结式MRAM方面的突破，但是现在还没有任何设计成为商业性的芯片，”IBM T.J. Watson研究中心非易失性存储器研究部高级经理Bill Gallagher说，“我们认为，这一采用自旋动量传输机制的全新项目是一个更好的机会，我们认为这一写入机制可以使功率的需求降低，缩减位单元，以及获得无限的使用寿命。”

自旋动量机制采用电子旋转动时的磁化效应来改变MRAM位单元的磁性，用于写入的旋转偏振电流通过MRAM的位单元的磁层之后，就可以将其状态从1变为0，反之亦然。

磁性隧道结MRAM位单元由一个晶体管和两层磁层组成，一个方位固定的磁层和一个自由的磁层，中间由隧道结隔开，两条位元线（bit line）之间的电流会在对应的位单元上形成磁场，通过改变自由层的磁性取向来完成数据的写入。而读取时只需感知阻抗的变化，消耗的功率比写入要小得多。

目前已经完成商业化的MRAM产品，例如飞思卡尔（ Freescale），都基于较老的磁场数据写入方式，而IBM和TDK的方案耗电量和位单元体积更小，因为采用自旋动量传输机制的MRAM写入只只是在自由层之间加入旋转偏振电流，该电流无需通过位元线，而读取时则是一个传感的过程。

图注：Ferromagenetic Layers：铁磁性层；Antiferromagenet Layers:反铁磁性层；Tunneling Insulator：隧道绝缘体；Coupling Layer：耦合层。

此前，IBM曾经和英飞凌（Infineon）在法国的Altis半导体公司联合制作可写入MRAM，但采用的是老的写入方式，没有达到预期的要求。IBM还和奇梦达（Qimonda AG）、中国台湾的旺宏（Macronix）开发PRAM（Phase-change RAM，相变随机存储器），这也是英特尔看好的一项技术。

“当然，目前有PRAM和其他存储器，但是我们会看到MRAM将成为最终的主流，因为它的综合性能非常出色。”Gallagher说。

IBM是磁性隧道结技术的先锋，不过TDK在这一方面的设计也有所建树，尤其是生产的可行性方面，其硬盘磁头设计也采用了磁性隧道结技术，而MRAM所需的技术和硬盘磁头是一致的。

“TDK在生产基于磁性隧道结的硬盘方面的经典十分丰富，这一技术也是MRAM的核心技术，”Gallagher说， “他们的磁性隧道结研发及生产经验对于帮助我们达到设计目标的是非常重要的。”

这个四年计划将会大幅提升IBM现有16Mbit MRAM的密度，制程从180nm转换至65nm，采用旋转偏振电流技术可以密度增加9倍,从16kbit到144kbit，而要达到20倍还要从位单元的尺寸着手——这就是TDK的强项了。

研发工作将在IBM的Watson研究中心、Almaden研究中心、ASIC设计中心以及TDK的子研发中心进行。