MRAM Getting More Attention At Smallest Nodes

磁阻 RAM (MRAM)似乎在最先进的节点上获得了关注，部分原因是存储器本身最近的改进，部分原因是新市场需要 MRAM 可能唯一合格的解决方案。磁阻 RAM (MRAM) 似乎处于最先进的
状态的节点上获得了关注，部分原因是电池本身的最新改进，部分原因是新市场 MRAM 可能是唯一正确的解决方案。

对于MRAM仍然存在很多怀疑者，并且存在很多潜在的竞争对手。这限制了 MRAM 的应用范围过去几十年来，受到阻碍成本高、密度低、耐用性低。但支持者的数量正在不断增长。
对于MRAM仍然存在很多质疑者，也存在很多潜在的竞争对手。在过去的几十年里，由于高成本、低密度和较低的耐用性，MRAM的作用受到限制。但支持者的数量正在增加。

图 1：2022-2033 年独立存储器年出货量（按tes 计算）。资料来源：Objective Analysis/Coughlin Associates, 2023
图 1：2022-2033 年独立内存年出货量（以 PB 为单位）。数据来源：Objective Analysis/Coughlin Associates，2023 年

如今，MRAM 有两种主要类型，独立式和嵌入式，以及三个主要应用领域：现在
，MRAM 有两种主要类型：独立式和嵌入式，以及三个主要应用领域：

• 非易失性RAM（NVRAM），这是eMRAM与嵌入式SRAM和嵌入式DRAM竞争的地方；
  非易失性RAM（NVRAM），这是eMRAM与嵌入式SRAM和嵌入式DRAM竞争的地方；
• eMRAM，可以设计在最先进的节点上与flash竞争，并且
  eMRAM，可以设计在最先进的节点上以与节点竞争，以及
• Frame-buffer MRAM，通常针对显示器。
  帧缓冲MRAM，通常针对显示器。

“帧缓冲型 MRAM 用于摄影或视频，并针对耐力和速度进行了调整，”西门子 EDA的 Tessent 高级工程总监 Martin Keim 说道。“代价是波动性仅下降到几秒钟。但如果您只是拍摄一张照片，则需要将其在硅片内部存储一秒钟，然后将其移动到永久存储中。最终，不同 MRAM 的优势实际上取决于您想要构建的内容。”
西门子 EDA 的 Tessent 高级工程总监 Martin Keim 表示：“帧缓冲型 MRAM 用于摄影或视频，并针对耐用性和速度进行了调整。”“代价是降低性仅下降到几个姿势。但如果您只是拍摄一张照片，则需要将其在芯片内部存储一个设施，然后将其移动到永久存储中。最终，不同的 MRAM 的优势实际上取决于您想要构建的内容。”

代工厂提供不同的 MRAM 变体，每种变体都有不同的 PPA 指标。Synopsys产品经理 Bhavana Chaurasia 表示：“市场空间需要不同的 eMRAM 变体来提供某些 PPA 指标。” “例如也就是说，与非易失性 eMRAM 相比，其中一种可能更像 SRAM，速度更高，面积更小，但保留期较短，而非易失性 eMRAM 则具有较高的保留期，但速度较慢，面积稍大。因此，现在您可以灵活地根据应用和目标市场，决定为您的 SoC 使用哪种类型的 eMRAM。”
代工厂提供不同的 MRAM 变体，众多变体都有不同的 PPA 指标。 Synopsys 产品经理Bhavana Chaurasia表示：“市场空间需要不同的eMRAM变体来提供某些PPA指标。”“例如，一种可能构成SRAM，速度更高、面积更小，保留但期平稳，而不是易失eMRAM 则具有更高的保留期、速度较慢且尺寸更大相应区域。，现在您可以根据应用和目标市场灵活地决定为您的 SoC 使用哪种类型的 eMRAM。”

MRAM 并不是前沿节点上的完美解决方案，而且它肯定不会取代 DRAM（这是我们最初的目标）。Rambus Labs高级副总裁 Gary Bronner 解释说：“几种新兴内存技术已经发展到可以生产 Mb 到 Gb 密度的水平。” “其中包括相变存储器，例如 PCM 或 3D Xpoint、MRAM 和 ReRAM。然而，为了取代 DRAM，这些存储器需要具有与 DRAM 相似的性能，但成本要更高。目前还没有一种新兴存储器能够证明取代 DRAM 所需的成本和性能。MRAM 和 ReRAM 正在寻找嵌入式闪存的替代品，其中 MRAM 是性能更高、成本更高的选择，而 ReRAM 是经济高效的替代方案。”
MRAM 不是前沿节点上的完美解决方案，它当然也不会取代 DRAM（这是我们最初的目标）。 Rambus Labs 高级副总裁 Gary Bronner 解释说：“新兴内存技术已经可以发展到生产 Mb 到Gb密度的水平。” “其中包括相变存储器，例如PCM或3D Xpoint、MRAM和ReRAM。然而，为了取代DRAM，这些存储器需要与DRAM相似的性能，但成本要更高。目前还没有一种新兴处理器能够证明取代 DRAM 所需的和性能。MRAM 和 ReRAM 正在寻找嵌入式成本替代的替代产品，其中 MRAM 是性能更高、成本更高的选择，而高效 ReRAM 是经济的替代方案。”

尽管如此，MRAM 的足迹似乎仍在扩大。新的发展有助于克服其历史局限性。同时，闪存在前沿节点受到限制，而MRAM特别适合汽车应用。尽管如此，
MRAM的足迹似乎仍在扩大。新的发展有助于克服其历史局限性。同时，前沿在前沿节点上受到限制，而MRAM特别适合汽车应用。

IMEC磁学项目总监 Sebastien Couet 表示：“MRAM 对微电子行业变得非常重要，因为在先进逻辑节点上缺乏替代闪存的解决方案。” “过去两到三年，大多数主要代工厂基本上都在生产 STT MRAM。这是重要的第一步，因为在业界引入新的内存技术非常罕见。SRAM、DRAM 和闪存在过去 50 年中取得了长足的发展，但从根本上来说，它们是相同的技术。我们达到了 [MRAM] 的大批量制造能力，这是一个非常重要的里程碑。预计未来5到10年将大幅增长。”
IMEC磁学项目总监Sebastien Couet表示：“MRAM对微电子行业变得非常重要，因为在先进的逻辑替代上替代过去替代的解决方案。”“两到三年，大多数主要代工厂基本上都在生产 STT MRAM。这是重要的第一步，因为在市场上引入新的内存技术非常罕见。SRAM、DRAM 和废除在过去 50 年中发生了很大的发展，但从根本上来说，它们是相同的技术。我们达到了 [MRAM] 的大规模制造能力，这是一个非常重要的里程碑。预计未来 5 到 10 年将大幅增长。”

磁共振血管造影MRAM应用磁随机存储器应用 
作为一种磁性技术，MRAM 本质上是抗辐射的。这使得独立版本在航空航天应用中很受欢迎，而且这些应用对价格的敏感度也较低。“它相对较大，在内存领域，尺寸意味着成本，”Couet 说。“这对航天器来说是件好事，因为航天器可以花 5,000 欧元购买几兆兆字节的内存，但显然这对消费市场来说并不好。”
作为一种磁性技术，MRAM 本质上是抗辐射的。在航空航天应用中很受欢迎，而且这些应用对价格的敏感度也较低。“它相对增大，在内存领域，大小就意味着成本，”库埃说。“这对航天器来说是一件好事，因为航天器可以花 5000 欧元购买几兆字节的内存，但显然这对消费市场来说并不好。”

MRAM 也在企业界找到了用武之地ise存储，如 IBM 的闪存核心模块（图 3，第 1 栏），其中 Everspin 的 MRAM 用作意外断电时的缓冲区。
MRAM还在企业中存储位置找到了一个地方，例如IBM的RAM核心模块（图3，第1栏），其中Everspin的MRAM用于意外断电时的三星屏。

Objective Analysis 首席分析师 Jim Handy 指出，此外，MRAM 还用于工业应用。作为一个例子，他引用了如何保持精心设计的工业机器人通过保持正确的手臂位置，在断电后重新启动时可以避免相互碰撞。
Objective Analysis首席分析师Jim Handy指出，此外，MRAM还用于工业应用。作为一个例子，他列举了如何通过保持正确的手臂位置来防止提出设计的工业机器人在断电后启动重新时相互碰撞。

“其中一些应用程序需要具有非常快的写入能力，并且需要是非易失性的，”Handy 解释道。“如今大容量的非易失性存储器是 NAND 闪存、NOR 闪存和 EEPROM，这是一个非常小的市场。这三者的写入速度都非常慢，并且消耗大量能量，这使得它们对于某些需要快速存储数据的应用程序来说并不受欢迎。另一种选择是 SRAM，带有电池来支持它，但这并不受欢迎，因为电池需要每隔几年更换一次。”
“其中一些应用程序需要具有非常快的写入能力，并且需要是不易丢失的，”Handy解释道。 “现在大容量的不易丢失的存储器是NAND ROM、NOR ROM和EEPROM，这是一个非常重要的问题。”小的市场。这三者的写入速度都非常慢，并且消耗能量大量，这使得它们对于某些需要快速存储数据的应用程序来说并不受欢迎。另一种选择是SRAM，带有电池来支持，但并不受欢迎，因为电池需要每隔几年更换一次。”

eMRAM 在汽车领域的应用 eMRAM 在汽车领域的应用 
但汽车领域真正打破了平衡，从闪存转向 eMRAM，因为对 MCU 的需求不断增加，而创建闪存的成本不断增加，这可能需要十几个掩模加法器但
汽车行业真正打破了平衡，从车载转向eMRAM，由于对MCU的需求不断增加，而造成车载的成本不断增加，而车载可能需要十几个模具加法器。

“在 32nm 节点以下，成本将闪存与 CPU 结合在一起的技术正在飞速发展，因为制造它的方法与逻辑不同，”imec 的 Couvet 说。“您需要在晶圆厂中制定特定步骤来仅制造闪存。在某种程度上，闪存制造成本比其他制造成本更高，这确实变得疯狂，因此业界正在寻找解决方案。”
imec 的 Couvet 表示：“在 32 个纳米节点以下，将与 CPU 共同集成的成本即将上升，因为制造方法与逻辑不同。” “您需要在晶圆厂中制定特定的步骤来仅制造一个。在某种意义上框架，其中制造成本比其他制造成本更高，这确实变得疯狂，因此业界正在寻找解决方案。”

解决方案是 eMRAM。2022 年，瑞萨电子在 2002 年 VLSI 研讨会上宣布推出STT-MRAM 测试芯片时解决了这个问题，“与采用 FEOL 制造的闪存相比，在 22 nm 以下工艺中，采用 BEOL 制造的 MRAM 具有优势，因为它与现有 CMOS 兼容该公司当时表示，解决方案
是 eMRAM。2022 年，瑞萨电子在 2002 年 VLSI 研讨会上宣布推出 STT-MRAM 测试芯片时解决了这个问题，“与采用FEOL制造的负载相比，在22 nm以下工艺中，采用BEOL制造的MRAM具有优势，因为它与现有的CMOS兼容逻辑工艺技术，并且需要更少的额外操作层，”该公司当时表示。

IBM 的态度更加乐观。IBM杰出研究人员兼高级经理 Daniel W orledge表示：“大约三年后，您将能够指着街上的每辆新车并说该车内有 eMRAM。” “先进节点中不再有嵌入式闪存，所有代工厂都已停止开发它。过渡期为 22 纳米和 28 纳米，具体取决于代工厂。” IBM 的态度更加乐观。 IBM 杰出研究人员兼高级经理 Daniel W orledge 表示：“差不多三年后，你将能够指着街上的每辆新车并说该车内有 eMRAM。” “先进性节点中不再有有嵌入式边框，所有代工厂都已停止开发。过渡期为 22 纳米和 28 纳米，具体取决于代工厂。”

嵌入式 MRAM 本质上也是可扩展的。Chaurasia 表示：“eFlash 已达到 28 纳米以下的规模极限，而使用 eMRAM，您可以设计支持较低技术节点的嵌入式非易失性存储器。” “这样做的好处是实现了核心和内存的可扩展性。内存可以保留为同一芯片的一部分，与其他选项相比，这有助于实现更小的面积以及更好的性能和功耗，而将内存保留在单独的芯片中，这会导致接口的性能和功耗损失并增加安全问题。eMRAM 具有更小的面积、更低的泄漏、更高的容量和更好的抗辐射能力。与 PCRAM 和 ReRAM 相比，eMRAM 具有更低的温度敏感性，提供更好的生产级良率，并提供更长的耐用性（在多年的多个读/写周期中保留数据）。它允许字级擦除和编程操作，使其成为高能效的 NVM 解决方案。所有这些优势使 eMRAM 成为出色的 eNVM。”
Chaurasia表示：“eFlash在28纳米以下已达到规模极限，而使用eMRAM，您可以设计支持较低技术节点的嵌入式非易失性存储器。” “这样做的好处是实现了核心和内存的可扩展性。内存可以保留在同一芯片中，与其他选项相比，这有助于实现更小的面积以及更好的性能和功耗，并将内存保留在单独的芯片中的芯片中，这会导致接口的性能和功耗损失并增加安全问题。eMRAM具有更小的面积、阻抗的辐射、更高的容量和更好的抗辐射能力。与PCRAM和ReRAM相比， eMRAM 具有较低的温度硬度，提供更好的生产良率，并提供更长的耐用性（在多个读/写周期中保留数据）。它允许字级擦除和编程操作，使其成为高效的 NVM 解决方案。所有这些优势使 eMRAM 成为出色的 eNVM。”

所有这些优势都可能使 eMRAM 成为汽车存储器的未来，至少其支持者如此认为。然而，并非所有人都同意。
所有这些优势都可能使 eMRAM 成为汽车工厂的未来，至少其支持者如此认为。然而，并非所有人都同意。

“当我们与汽车客户交谈时，他们更喜欢 ReRAM 而不是 MRAM，”Keim 说。“我们听到的争论是温度稳定性以及汽车环境中的磁场影响 MRAM 中存储的数据的担忧。对于前者，现在的 MRAM 类型确实具有汽车市场所需的温度稳定性（-40C 至 +150C）。这表明 MRAM 技术正在迅速扩展到应用领域的各个角落。他们的产品化已经发展到什么程度，以便汽车用户可以选择市场上现成的产品，这是一个不同的问题。”
“当我们与汽车客户交谈时，他们更喜欢 ReRAM，而不是 MRAM，”Keim 说。“我们听到的争论是温度稳定性以及汽车环境中的磁场影响 MRAM 中存储的数据的担忧。对于前面，现在的MRAM类型确实具有汽车市场所需的温度稳定性（-40C至+150C）。这表明MRAM技术正在迅速分裂应用领域的各个角落。他们的产品化已经发展到什么程度，以便汽车用户可以选择市场上现有的产品，这是一个不同的问题。”

另一方面，MRAM 的合法读取值 0 和 1 之间的差距非常窄（请参阅下面的调整讨论）。这个小间隙随着温度的升高而变窄和变化，使得安全地解释读取值变得更加困难。ReRAM 中 0 和 1 之间的电阻间隙要宽得多，因此更容易读取，即更容易在较高温度下操作。相反，MRAM
的合法读取值 0 和 1 之间的间隙非常窄（请参见这个小间隙随着温度的升高而变窄和变化，使得安全地解释读取值变得更加困难。ReRAM 中 0 和 1 之间的阻力间隙要大因此，更易于读取，即更容易在上述温度下操作。

即便如此，今年 5 月，恩智浦和台积电宣布推出首款用于汽车的16 纳米 finFET eMRAM，与闪存的 1 分钟相比，它可以在大约 3 秒内更新 20MB 的代码，提供高达 100 万次更新周期，耐用性水平是闪存的 10 倍甚至
，今年5月，恩智浦和台积电宣布推出用于汽车的16纳米finFET eMRAM，与迟到的1分钟相比，它可以在大约3秒内更新20MB的代码，提供高达 100 万次更新周期，耐用性水平是 10 倍以及其他新兴的存储技术。

新旧内存类型之间的竞争不仅仅是技术和财务方面的竞争。想象一下，如果救护车必须暂停一分钟才能启动。
新旧内存类型之间的竞争不仅仅是技术和财务方面的竞争。想象一下，如果救护车必须暂停一分钟才能启动。

技术进步技术进步 
与科技行业的许多设备一样，MRAM 始于获得诺贝尔奖的工作。在这种情况下，它是巨磁阻的发现，这是硬盘存储的基础概念。下一个突破是自旋转移矩（STT），这是一种可以使用自旋极化电流来修改磁性隧道结（MTJ）或自旋阀中磁性层的方向的效应。同样，MRAM 获得设备诺贝尔奖的工作。在这种情况下，它是巨磁阻的发现，这是硬盘存储的基础概念。下一个突破是自旋转位移力矩（STT），这是一个种修改可以使用自旋最远端电流梯度隧道结（MTJ）或自旋阀中梯度层方向的效应。

这种新的物理原理催生了更有效的 MRAM。STT MRAM 核心的 MTJ 由两个磁性电极和其间的一个介电隧道势垒组成。“基本上，MJT 负责检测两个电极之一的磁性状态，”Couet 解释道。“在 MRAM 中，你有一个固定磁铁，然后是隧道势垒，然后是一个自由磁铁，你可以将其编程为指向上或指向下，例如。然后你比较一下。之后，结的电阻取决于电极的排列。如果两个电极在其磁铁方面以平行配置对齐ic 状态，则它们具有低电阻。如果它们是反平行的，则它们具有高电阻。这提供了一种区分磁铁朝上和朝下的方法，因此您可以通过这种方式存储信息。正如硬盘驱动器所知道的那样，磁铁可以长时间保持稳定。”这种新的物理原理催生了更有效的 MRAM。STT MRAM 核心的 MTJ 由两个磁性电极和其间的一个电介质隧道组成。“基本上，MJT负责检测两个电极之一的磁性状态，”Couet解释道。“在MRAM中，你有一个固定磁铁，然后是隧道势垒，然后可以是一个自由磁铁，你将其电位器指向上方或指向下方。然后你比较一下。之后，结的电阻依靠电极的排列。如果两个电极在其差分状态方面以平行配置水平，则它们具有低电阻。如果它们是反的的平行，则它们具有高电阻。这提供了一种具有区分磁性朝上和朝下的方法，因此您可以通过这种方式存储信息。正如硬盘驱动器所知道的那样，磁性可以长期保持稳定。”

STT MRAM 目前占主导地位。现场切换 MRAM（现称为切换 MRAM）是一种早期形式，由摩托罗拉飞思卡尔于 2006 年首次推向市场，飞思卡尔后来被分拆并合并为 Everspin Technologies。Everspin 以切换和 STT 形式提供当今市场上的大部分独立 MRAM。
STT MRAM目前占据主导地位。现场切换MRAM（现称切换MRAM）是早期的一种形式，由摩托罗拉推出的飞思卡尔（Freescale）于2006年首次推向市场，该公司后来被分拆并合并为Everspin Technologies。Everspin以切换和STT形式提供了目前市场上的大部分独立MRAM。

“In toggle MRAM, the polarity is changed by applying a magnetic field across the MTJ,” explained Joe O’Hare, senior director of marketing at Everspin. “By contrast, STT MRAM technology uses the spin-transfer torque property, or the manipulation of the spin of electrons with a polarizing current.”
Everspin 高级营销总监 Joe O’Hare 解释说：“在切换 MRAM 中，通过在 MTJ 上施加磁场来改变极性。” “相比之下，STT MRAM 技术使用自旋转移力矩特性，或者通过极化电流来操纵电子自旋。”

Fig. 2: Toggle field-switched and spin-transfer torque magnetic tunnel junction operation. Source: Everspin
图 2：切换场切换和自旋转移矩磁隧道结操作。来源：Everspin

In 2010, Worledge and his IBM colleagues, and the Ohno lab at Tohoku University in Japan, both published papers showing perpendicular STT MRAM, which inspired the current interest. “Before then, MRAM was kind of a laboratory curiosity,” said Worledge. “You could make some bits but they didn’t switch reliably. The reason was all the magnetization was in-plane, but that’s very inefficient. What you want is to have magnetization perpendicular to the plane of the wafer.”
2010年，Worledge和他的IBM同事以及日本东北大学的Ohno实验室都发表了展示垂直STT MRAM的论文，这激发了当前的兴趣。 “在那之前，MRAM 还只是实验室的好奇物，”Worledge 说。 “你可以做一些位，但它们不能可靠地切换。原因是所有磁化都在平面内，但效率非常低。你想要的是磁化强度垂直于晶圆平面。”

Although the answer had been known theoretically since 1996, it would take over a decade to craft the right combination of physics and materials to achieve optimal switching. “Perpendicular bits solve the write problem,” Worledge explained. “And that’s what kicked off all of this excitement. All the big companies jumped in and started to work on STT RAM.”
尽管从 1996 年起理论上就已经知道了答案，但需要十多年的时间才能精心设计物理和材料的正确组合以实现最佳切换。 “垂直位解决了写入问题，”沃里奇解释道。 “这就是引发所有这些兴奋的原因。所有大公司都纷纷加入并开始研究 STT RAM。”

There’s also a new variation called spin-orbit torque (SOT)-MRAM, which imec has been refining. As Couet explained in a blog, “The main difference between STT- and SOT-MRAM resides in the current injection geometry used for the write process. While in STT-MRAM, the current is injected perpendicularly into the MTJ, current injection in SOT-MRAM happens in-plane, in an adjacent SOT layer.”
还有一种称为自旋轨道扭矩 (SOT)-MRAM 的新变体，imec 一直在对其进行改进。正如 Couet 在博客中解释的那样，“STT-MRAM 和 SOT-MRAM 之间的主要区别在于用于写入过程的电流注入几何结构。在 STT-MRAM 中，电流垂直注入 MTJ，而 SOT-MRAM 中的电流注入发生在相邻 SOT 层的平面内。”

Learning Curve 学习曲线
Still, the complicated physics means there are complexities to working with MRAMs that designers need to be aware of.
尽管如此，复杂的物理现象意味着设计人员需要意识到使用 MRAM 的复杂性。

“When you buy a SRAM or DRAM off the market, they’re all more or less the same,” Keim said. “With the MRAMs, with all the different underlying physics and properties, you can run into trouble if you choose the wrong one.”
“当你从市场上购买 SRAM 或 DRAM 时，它们或多或少都是一样的，”Keim 说。 “MRAM 具有不同的底层物理特性和特性，如果选择错误，可能会遇到麻烦。”

MRAMs have probabilistic behaviors, so they also come with a lot of error correction. “Normally, you have an ECC that has maybe one bit of error correction and two bits of error detection. MRAM is one level up, at least two-bit correction and three-bit detection,” Keim said. “And then, the ECC is going to correct the improbability of the MRAM. So together, you gain the behavior of a deterministic, just like an SRAM, but it costs you.”
MRAM 具有概率行为，因此它们还具有大量纠错功能。 “通常情况下，您的 ECC 可能具有一位纠错位和两位错误检测位。 MRAM 更上一层楼，至少有两位校正和三位检测，”Keim 说。 “然后，ECC 将纠正 MRAM 的不可能性。因此，您将获得确定性的行为，就像 SRAM 一样，但这需要您付出代价。”

There’s an additional issue, as well. “When you turn on an SRAM and you’re writing and reading, it just works. With MRAM, you first have to train your reading and writing circuitry on the actual properties of the cell, in what’s called 'trimming,’ he said. “Trimming means you have to find your comparison value, your resistive value, that makes you decide if what you have just read should be interpreted as a 0 or a 1. So there is an entire cycle of trim learning that the MRAM needs for both reads and writes.”
还有一个额外的问题。 “当你打开 SRAM 并进行书写和阅读时，它就会正常工作。他说，使用 MRAM，首先必须根据单元的实际属性来训练读写电路，这就是所谓的“微调”。 “修整意味着你必须找到你的比较值，你的电阻值，这让你决定你刚刚读取的内容应该被解释为 0 还是 1。因此，MRAM 需要一个完整的修整学习周期读和写。”

It doesn’t end there. “Different sections of the memory need different trim values. There is a whole process involved to get that thing actually working,” he said. “Once you have accomplished that, you have your beefed up ECC, you have done your trim circuitry, which needs to be on-chip. It’s too much data to be done off-chip, it would be too time-consuming and expensive. So you have to invest additional hardware just for that trim learning. The only viable solution is to do all of this on-chip, fully automated and self-contained. To further reduce the area costs, you want to take advantage of the DFT you already have, namely a memory built-in self-test (MBiST) engine.”
事情还没有结束。 “内存的不同部分需要不同的调整值。要让这件事真正发挥作用，需要一个完整的过程，”他说。 “一旦你完成了这一点，你就拥有了增强的 ECC，你就完成了需要在芯片上的调整电路。需要在片外处理的数据太多，既耗时又昂贵。因此，您必须投资额外的硬件来进行简单的学习。唯一可行的解​​决方案是在片上完成所有这些工作，完全自动化且独立。为了进一步降低面积成本，您需要利用已有的 DFT，即内存内置自测试 (MBiST) 引擎。”

The good news is that after all that additional time and money have been invested, the memory works quite well.
好消息是，在投入了所有额外的时间和金钱之后，内存的效果相当好。

MRAM’s thermal advantages
MRAM 的热优势
Thermal is DRAM’s weak point. Higher temperatures cause its capacitors to refresh and lose data. “DRAM is a difficult technology to use. It forgets things in milliseconds and needs to go offline periodically to refresh,” said Marc Greenberg, group director, product marketing at Cadence. “It’s susceptible to heat and radiation.”
散热是 DRAM 的弱点。较高的温度会导致其电容器刷新并丢失数据。 “DRAM 是一项很难使用的技术。它会在几毫秒内忘记事情，并且需要定期离线刷新。”Cadence 产品营销部门总监 Marc Greenberg 说道。 “它容易受到热和辐射的影响。”

By contrast, one of the important reasons for eMRAM’s success is that it stays stable at high temperatures — so much so that it can retain data through solder reflow. However, its thermal advantage also explains its relative lack of endurance.
相比之下，eMRAM 成功的重要原因之一是它在高温下保持稳定，以至于可以通过回流焊保留数据。然而，其散热优势也解释了其相对缺乏耐久性的原因。

“Because you need to have really good data retention in order to withstand solder reflow, you have to make the magnetic bit really difficult to switch, because you don’t want it to switch during thermal fluctuations,” IBM’s Worledge said. “That means it’s also difficult to switch when you write it, so you have to apply a larger voltage to write it. That larger voltage will damage the MgO tunnel barrier over time.”
IBM 的 Worledge 表示：“因为你需要拥有非常好的数据保留能力才能承受回流焊，所以你必须让磁性位很难切换，因为你不希望它在热波动期间切换。” “这意味着写入时也很难切换，因此必须施加更大的电压才能写入。随着时间的推移，较大的电压会损坏氧化镁隧道势垒。”

MRAM magnetic field disadvantages
MRAM 磁场缺点
Every technology has its Achilles’s heel. For MRAM, it is strong magnetic fields.
每种技术都有其致命弱点。对于MRAM来说，就是强磁场。

“Like any magnetic component, eMRAM should maintain a distance from other magnetic components,” said Chaurasia. “For example, there can be inductor coils within an SoC or die. A certain distance between such devices reduces the magnetic effect. Hence, it must be maintained when designing a chip. For off-chip magnetic immunity, advanced packaging can provide shielding. Air gaps above the eMRAM block or the device can also provide immunity from magnetic sensitivity.” 
“与任何磁性组件一样，eMRAM 应与其他磁性组件保持一定距离，”Chaurasia 说。 “例如，SoC 或芯片内可能存在电感线圈。这些设备之间的一定距离会减少磁效应。因此，在设计芯片时必须维护它。对于片外磁抗扰度，先进封装可以提供屏蔽。 eMRAM 块或设备上方的气隙也可以提供免受磁敏感性的影响。”  

Unlike being near MRI machines, which is a definite no-no, IBM’s Worledge said proximity to small motors and small inductor coils should not be an issue. Nevertheless, he did suggest one nightmare scenario — an attacker using a neodymium iron boron magnet potentially could disable eMRAM chips, so it would be best to put such chips at least a centimeter away from the surface of devices, especially cars.
IBM 的 Worledge 表示，与靠近 MRI 机器（这绝对是禁忌）不同，靠近小型电机和小型感应线圈不应成为问题。尽管如此，他确实提出了一个噩梦般的场景——使用钕铁硼磁铁的攻击者可能会禁用 eMRAM 芯片，因此最好将此类芯片放置在距离设备（尤其是汽车）表面至少一厘米的地方。

The future of MRAM MRAM 的未来
There are a number of near-term and long-term developments in the works for MRAM. Mobile cache, in which MRAM would replace both flash and SRAM, could be in the market within the next year or two, according to IBM’s Worledge. “From the research and development point of view, I think we’re done. We’ve demonstrated the magnetic tunnel junctions that can meet these requirements, and we’re hoping the foundries will offer a commercial offering soon.”
MRAM 的工作中有许多近期和长期的进展。据 IBM 的 Worledge 称，移动缓存可能会在未来一两年内上市，其中 MRAM 将取代闪存和 SRAM。 “从研发的角度来看，我认为我们已经完成了。我们已经展示了可以满足这些要求的磁性隧道结，我们希望铸造厂能够尽快提供商业产品。”

Fig. 3: Standalone MRAM and embedded non-volatile MRAM are already in the market. Mobile cache MRAM and last-level cache MRAM are in development. Source: IBM
图 3：独立 MRAM 和嵌入式非易失性 MRAM 已投放市场。移动缓存 MRAM 和末级缓存 MRAM 正在开发中。资料来源：IBM

Worledge is confident there’s a killer app in eMRAM’s future. “Let’s say you had an IoT device that’s powered by solar power. Maybe it’s part of a security system. It’s normally off, maybe it has a little sensor on it to pick up some audio. When the audio gets loud enough, it wakes up and tries to determine with some AI algorithm whether or not there’s an intruder. Without eMRAM, it would wake up, load the weights for the AI program from flash into SRAM, then run the AI program. If the weights were updated, they’d have to write back to flash, which is incredibly power-intensive. But with eMRAM alone, when the device wakes up, it just starts operating because all the weights are already inside the eMRAM.”
Worledge 相信 eMRAM 的未来会出现一款杀手级应用。 “假设您有一个由太阳能供电的物联网设备。也许它是安全系统的一部分。它通常是关闭的，也许它上面有一个小传感器来拾取一些音频。当音频足够响亮时，它就会醒来并尝试使用某种人工智能算法来确定是否有入侵者。如果没有 eMRAM，它会醒来，将 AI 程序的权重从闪存加载到 SRAM 中，然后运行 ​​AI 程序。如果权重被更新，他们就必须写回闪存，这是非常耗电的。但仅使用 eMRAM，当设备唤醒时，它就会开始运行，因为所有权重都已位于 eMRAM 内。”

Such a scheme would be slower than SRAM, but the advantage is lower power compared to writing data back and forth between the flash and SRAM, and its endurance would make it ideal for field operations, he said.
他说，这种方案比 SRAM 慢，但与在闪存和 SRAM 之间来回写入数据相比，优点是功耗更低，而且其耐用性使其非常适合现场操作。

IBM’s “holy grail,” which the company has been working on for nearly a quarter of a century, is last-level cache. Current cache schemes depend on SRAM for working memory and can have a hiccup called a “cache miss,” in which the data isn’t in SRAM. That forces the SRAM to go all the way out to DRAM to get the data.
IBM 近四分之一个世纪以来一直致力于研究的“圣杯”是末级缓存。当前的缓存方案依赖于 SRAM 作为工作内存，并且可能会出现称为“缓存未命中”的问题，即数据不在 SRAM 中。这迫使 SRAM 一直到 DRAM 来获取数据。

“It’s a very slow, like 35 nanoseconds or 50 nanoseconds round-trip,” said Worledge. “You’d really like to have a bigger SRAM cache if you could. If the MRAM was twice as dense as SRAM, you’d have twice as many bits in there. It would be a little slower than the SRAM, but you more than make up for the slower speed with having twice as many bits.”
“这是一个非常慢的过程，大约需要 35 纳秒或 50 纳秒的往返时间，”Worledge 说。 “如果可以的话，您确实希望拥有更大的 SRAM 缓存。如果 MRAM 的密度是 SRAM 的两倍，那么其中的位数就会是 SRAM 的两倍。它会比 SRAM 慢一点，但它的位数是 SRAM 的两倍，足以弥补较慢的速度。”

Worledge believes they’re finally within striking distance. “It’s a very challenging application because you need the MRAM to be very dense and very fast and high endurance,” he said. “We still need to lower the switching current. We published on a new device we invented called the double spin torque magnetic tunnel junction that does lower the switching current by a factor of two. We even showed 250-picosecond switching, which is incredibly fast compared to all other MRAM publications. There’s a lot of promise there, but we’re still in research mode on that.”
沃里奇相信他们终于在攻击距离之内了。“这是一个非常具有挑战性的应用，因为你需要MRAM非常密集、非常快速和高耐用性，”他说。“我们仍然需要降低开关电流。我们发表了我们发明的一种新器件，称为双自旋矩磁隧道结，它确实将开关电流降低了一倍。我们甚至展示了 250 秒皮秒的切换，与所有其他 MRAM 图书相比，快得令人难以置信。有很多希望，但我们仍处于快速研究阶段。”