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日本MRAM研發領先,耗電降至1/50

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日本MRAM研發領先,耗電降至1/50
Nikkei2021/07/29
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  利用電子的自旋(Spin)性質的「磁性隨機記憶體(MRAM)」迎來了普及期。以日本東北大學的研究為起點,索尼集團等正在推進技術開發。在半導體微細化接近極限的背景下,MRAM通過與微細化不同的方法,實現了不到以前50分之1的耗電量和高速運行。這種記憶體還有望應用於人工智慧(AI)和無人駕駛領域。
  「突破了技術難關」,日本的東北大學教授遠藤哲郎如此形容MRAM的技術開發現狀。該校校長大野英男因研究「自旋電子(Spintronics)」而被提名為諾貝爾獎候選人。以校長為主導,東北大學從1990年代開始引領MRAM研究。但由於量産困難,長期以來一直未能達到實用水平。近年來,隨著內部結構的改進等,普及終於有了眉目。
日本的大學和企業在MRAM研發領域領先(東北大學的開發基地,右邊為遠藤教授)
  MRAM的特點是斷電後不會丟失信息。由於可在保存數據(運算到一半的數據等)的情況下切斷電源,與現有DRAM和SRAM記憶體相比,可大幅降低耗電量。而且MRAM也可實現以納秒(十億分之一秒)為單位、與DRAM同等的高速運行。
  遠藤教授等人組成的團隊為控制電子設備的微控制器(MCU)等嵌入MRAM,成功使耗電量降低到現有半導體的50分之1。據稱如果搭載到可穿戴終端、有望用於自動駕駛的邊緣終端、人工智慧等上,耗電量有望降至1000分之1。
  日本的東北大學在2018年還成立了源自大學的初創企業,並推進與企業的合作和提供授權。首先主要面向非尖端微控制器,將來的目標是應用於AI伺服器等。遠藤教授指出,有望用於使用先進AI處理技術的自動駕駛,「目前正在與日本國內的汽車廠商和大型零部件廠商推進合作」。
  從脫碳化的角度來説,MRAM記憶體非常有望降低數位設備的耗電量。大野校長表示,「MRAM對於構建既能減少二氧化碳排放又能實現發展的社會,可以發揮巨大作用」。
  在50多年的時間裏,半導體的性能通過電路線寬微細化取得了飛躍性進步。關於一塊晶片上集成的元件數量,英特爾1971年發佈的首個CPU(中央處理器)約為2300個,蘋果最新的「M1」晶片為160億個,增加到約700萬倍。
  但進入2010年代以後,電路線寬開始逼近原子大小,微細化越來越接近極限。在要求更高性能的AI時代到來之前,除微細化之外,還需要其他的突破來提高性能和降低耗電量。利用自旋性質的MRAM是有力候選。
  日本在MRAM研發領域領先。日本經濟新聞(中文版:日經中文網)在日本專利調查公司Patent Result的協助下,調查了MRAM有效專利數量(日本國內)。結果發現,鎧俠(KIOXIA,原東芝記憶體)、索尼集團、東北大學等躋身前十。日本的企業和大學在美國專利排行榜中也名列前茅。
  索尼集團在6月舉行的國際學會上發佈了可與主力産品CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器層疊的MRAM技術。用一塊晶片來完成照片拍攝、圖像處理、數據保存,使手機攝像頭有望實現小型化和高速運行。
  日本産業技術綜合研究所開發出了採用特性均一的單晶記憶元件的MRAM製造技術。要想在數據中心等使用的AI運算半導體中使用MRAM,需要製造微細的記憶元件。與現行的多晶産品相比,單晶記憶元件更容易推進微細化。日本産業技術綜合研究所的湯淺新治表示,「希望5~10年達到實用化」。
  在MRAM的製造設備方面,東京電子和愛德萬(Advantest)開展相關業務。日本經濟産業省6月提出振興半導體産業的戰略,也有可能助力日本企業恢復國際競爭力。
  在海外企業中,美國半導體初創企業Ambiq Micro開發出了嵌入MRAM的省電微控制器。中國OPPO等手機廠商決定在智慧手錶上採用。
  大型海外企業在量産方面領先。台積電(TSMC)從2020年下半年開始量産嵌有MRAM的運算半導體。三星電子及英特爾等也構建了量産體制。
美國Ambiq開發出嵌入MRAM的微控制器
  MRAM的量産才剛剛就緒。為了擴大用途,需要解決大容量化和高速化等課題。利用微控制器暫時存儲數據的用途是從新一代産品開始的,預計全面安裝在手機外圍電路上要到2023年以後,在手機和數據中心的核心部分使用還會更晚。
  利用新方法突破「摩爾定律」的界限
  半導體的集成度每18個月倍增的「摩爾定律」正在成為過去式。在此背景下,相繼出現了利用微細化以外的方法提高性能的做法。
  台積電將在日本茨城縣筑波市設立半導體後製程的共同開發基地。通過在基板上重疊晶片等高效封裝為一體,可以提高性能、節省電力。預計日本國內將有材料廠商等20多家企業參與這一項目。
  NTT在面向新6G的光通信技術「IOWN」中,設想利用光信號驅動半導體。與利用電信號驅動的現有半導體相比,可以提高效率。為了實現這一點,NTT將與英特爾等合作。
  在20世紀70年代,半導體線寬只有3微米,目前實用産品的線寬突破5奈米。台積電、IBM致力於開發2奈米産品,比利時的研發機構IMEC著眼於1奈米以後。不過,各廠商還同時推進利用微細化以外的方法提高性能。
  與過去大多依靠微細化提升性能不同,今後結合多項技術來設計、製造適合各種用途的半導體將左右競爭力。有望格外省電的MRAM將成為不可或缺的技術組合之一。
  日本經濟新聞(中文版:日經中文網)龍元秀明、下野裕太
  ▼MRAM :新一代半導體記憶體,通過電子自旋(Spin)的方向來記錄數據。特點是即使切斷電源也可保存數據。與通過電量(電荷)記錄的DRAM等相比,耗電量大幅減小。
  不光用於記憶體,還可嵌入MCU(微控制器)及CPU(中央運算處理裝置),保存處理過程中的數據。法國調查公司預測,嵌入式MRAM的市場規模到2026年將增至現在的100倍,達到17億美元。
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