日前，三星電子又宣布，已經全球第一家商業化規模量產eMRAM(嵌入式磁阻內存)，而且用的是看上去有點“老舊”的28nm FD-SOI(全耗盡型絕緣層上硅)成熟工藝，可廣泛應用于MCU微控制器、IoT物聯網、AI人工智能領域。

三星指出，基于放電存儲操作的eFlash(嵌入式閃存)已經越來越難以進步，SLC、MLC、TLC、QLC、OLC一路走下來，密度越來越高，但是壽命越來越短，主控和算法不得不進行越來越復雜的補償。

eMRAM則是極佳的替代者，因為它是基于磁阻的存儲，擴展性非常好，在非易失性、隨機訪問、壽命耐久性等方面也遠勝傳統RAM。

使用28nm工藝量產成功，則進一步證明三星已經克服了eMRAM量產的技術難題，工藝上更不是問題。

三星表示，28nm FD-SOI工藝的eMRAM可以帶來前所未有的能耗、速度優勢。由于不需要在寫入數據前進行擦除循環，eMRAM的寫入速度可以達到eFlash的大約一千倍，而且電壓、功耗低得多，待機狀態下完全不會耗電，因此能效極高。

另外，eMRAM可以輕易嵌入工藝后端，只需增加少數幾個層即可，因此對于前端工藝要求非常低，可以輕易地使用現有工藝生產線進行制造，包括Bulk、Fin、FD-SOI晶體管。

三星還計劃今年內流片1Gb(128MB)容量的eMRAM芯片。

英特爾已經為eMRAM大批量生做好準備

在三星之前，英特爾于今年二月也宣布了在eMARM上的進展。

根據techpowerup的報道，EETimes上不久前發布了一份報告，該報告顯示英特爾自己的商用MRAM（磁阻隨機存取存儲器）已經準備好大批量生產。MRAM主要利用磁致電阻的變化來表示二進制的0和1，從而實現數據的存儲，是一種非易失性存儲技術，這意味著即使斷電情況下，它仍然會保留住信息，同時它還有不輸于DRAM的容量密度及使用壽命，平均能耗也遠低于DRAM。

由于不管是DRAM內存還是NAND閃存，制程微縮已遭遇瓶頸，相對地，MRAM未來制程微縮仍有許多發展空間，MRAM因此備受期待，認為可以取代DRAM內存和NAND閃存。

周二提交這篇論文的英特爾工程師Ligiong Wei說，英特爾嵌入式MRAM技術可在200攝氏度下實現長達10 年的記憶期，并可在超過100萬個開關周期內實現持久性。

MRAM省電的特性，意味著英特爾嵌入式MRAM將很有可能先用于移動設備上。并且嵌入式 MRAM 被認為特別適用于例如物聯網 (IoT) 設備之類的應用，也趕搭上 5G 世代的列車。

嵌入式存儲的救星？

嵌入式存儲是邏輯制程中不可或缺的一環，過去卻往往讓人忽略。但是邏輯制程推進日益艱辛，嵌入式存儲制程推進的難處全浮上臺面。主要是存儲與主要的CMOS制程差距甚大，而單獨(stand alone)的存儲與嵌入式存儲的制程又不盡相同，無可借力，因此發展額外吃力。

但是正因為嵌入式存儲發展遲緩，它在芯片上面積的占比越來越高，引起注意。先是eFlash，eFlash當然是NOR Flash，是微處理器、微控制器中通常用來儲存程式碼的地方。到了40nm/28nm，有些應用中eFlash面積可能占芯片面積的30%，快要反客為主了。而20nm以下，eFlash的微縮更加困難－事實上，獨立的NOR Flash現在最先進制程也不過45nm。兼之制程復雜，eFlash制程要于原本邏輯制程上外加9~12道光罩，寫入速度緩慢，又不耐久，需要替代工藝。

大部分代工廠在28nm這一技術節點，普遍都提出eMRAM此一菜單。eMRAM的制程和MRAM相似，加在邏輯制程中只需額外3道光罩，面積大概在50平方特征尺寸(feature size)，速度快又耐用，資料存留10年，替代的理所當然。

有趣的是這些即將要量產eMRAM的代工大廠中，其MRAM技術或多或少是購并或授權而來的。

先是三星電子(Samsung Electronics)在2011年購并了Grandis－一家發明STT MRAM的公司，值得注意的是三星讓它先加入存儲部門的運作，最早的想法是讓MRAM成為DRAM的替代品。在當時的技術條件下，這是近乎不可能完成的任務。

eDRAM在40nm以下原來已被放棄，但在「全空乏絕緣上覆矽」(Fully Depleted Silicon On Insulator；FD-SOI)技術出來后似有復起之勢，用來替代邏輯線路中部分的SRAM，降低面積和功耗。但是獨立DRAM制程推進已十分吃力，至十幾nm已經非常艱困，而它的電容器因底面積縮小必須堆高以維持一定電容，這個與周遭的邏輯制程格格不入，MRAM此時又出來救援。

MRAM的刻板印象是永久存儲，但是若愿意降低其資料存留時間，則其寫入時間可以加快、寫入電流降低，這就活生像DRAM了。事實上，在eMRAM的寫入速度降到如DRAM的10ns時，其資料存留時間還有將近1天，也就是說eMRAM不必像DRAM時時需要資料更新(refresh)，因此同時節省大量更新電流所造成的功耗。5~7nm的世代，以eMRAM來做為中央處理器的L3高速緩存(cache)已經近乎定案。

SRAM的問題最棘手。目前有些SoC中的SRAM已占芯片面積50%以上，而且情況持續惡化之中。16nm FINFET制程中SRAM的單元面積約為275平方特征尺寸，預計到3nm時單元面積成長至約為675平方特征尺寸，在芯片面積中的占比會更高。這里面有一部分的問題因為以eMRAM來做為L3高速緩存得到緩解，但是eMRAM的寫入速度能不能再高？寫入電流能不能再降？這是eMRAM能不能邁向取代L2高速緩存的關鍵。這個問題，我持審慎樂觀的態度。

MRAM從1995年進入研發領域的雷達，現在于嵌入式存儲算是建立橋頭堡了。

對產業造成的可能影響

值得注意的是，這些即將要量產，或者已經eMRAM的代工大廠中，其MRAM技術或多或少是購并或授權而來的。

先是三星電子(Samsung Electronics)在2011年購并了Grandis－一家發明STT MRAM的公司，值得注意的是三星讓它先加入存儲部門的運作，最早的想法是讓MRAM成為DRAM的替代品。在當時的技術條件下，這是近乎不可能完成的任務。

臺積電與高通(Qualcomm)的MRAM合作起始甚早，在2009年就發表45nm的嵌入式制程。中間斷斷續續的做了幾年，在2016年與TDK Headway合作后再重新拾起研發動量。GlobalFoundries也是在2016年與Everspin合作后，加入eMRAM研發的行列。后續的相同模式還有聯電與Avalanche和力晶與IBM。

這里面除了IBM之外，掌握MRAM技術的公司都是新創的小公司。就連已有產品在市場銷售多年的Everspin，最近的季報才接近損益兩平，其市值有人估算在2.5億美元左右，都是不折不扣的小公司。

MRAM并不是最近才有的技術。我有個朋友從事此領域研發已有23年，并且早在2010年就出過書，我10余年前也曾經在DIGITIMES介紹過MRAM。到現在為止，eMRAM制程已成為邏輯代工不可或缺的先進制程技術，甚至于在stand-alone存儲領域，由于DRAM制程在1y以后進展舉步維艱、MRAM的寫入電流大幅降低，MRAM進入純存儲領域再也不是遙不可及。

在這樣重要的領域，為什么半導體產業沒有及早投入呢？自然，合并與收購也是大企業快速取得技術、產品和市場的手段，制藥領域就有很多知名的例子。但是與制藥產業不同的是半導體并沒有很多的新產品、或新技術多到無法涵蓋。以存儲而言，再早10年新存儲的候選技術也只是MRAM、PCRAM和ReRAM等幾種。核心技術由內部發展和由外部收購、授權在量產時程上和融入的程度會有很大的差異。

會出現這種尷尬狀況的理由可能是半導體業界，尤其是已于其中浸潤數十年的管理層人員，已經太習慣于摩爾定律的線性演進思維。摩爾定律有既定的演進方向以及必然帶來的經濟效益－每代每個晶粒成本大約下降30%，以及一定會買單的顧客和市場。除了在這個既定的航程上精益求精之外，對于新興的材料、元件和技術，通常感覺是持疑。我最常聽到的話是「我們是不見兔子不撒鷹」。

可是摩爾定律開始放緩，除了3D制程可能還有類似摩爾定律的節奏外，其他的半導體經濟增值方式變得很多元。而且從科學轉為科技的速度來的又快又急，跟MRAM技術相關的諾貝爾獎2007才頒發，11年后就商業量產。見了免子再撒鷹，怕是來不及了！怎樣改變研發策略、整頓研發結構、重新分配研發資源恐怕已經是刻不容緩的事。