11纳米自旋力矩存储器正蓄势待发
在IBM Research大会发布的创新成果当中，我们赫然发现传说中已经拥有二十年开发历史的非易失"通用型"磁性随机访问存储器（简称MRAM）正在进行升级。IBM方面日前（7月7日）表示，通过与代工巨头三星公司的合作，其正在利用自旋转移力矩（简称STT）设计对MRAM加以进一步完善。
速度比闪存更快，密度较动态随机访问存储器（DRAM）更高，这种通用型存储器方案正在IBM公司内部进行最后一轮材料优化与工程技术调整。IBM方面表示，其MRAM STT的访问时钟在10纳秒级别且功耗极低（仅为7.5微安），且速度表现远超过闪存甚至接近DRAM。其适用范围从小型物联网系统芯片到大规模服务器存储系统可谓无所不包。
整个研发周期长达二十年
"IBM公司在磁性随机访问存储器，或者说MRAM领域已经投入了二十年时间。其最初属于DARPA（即国防高级研究计划局）资助的研究项目，当时IBM配合摩托罗拉希望打造一款场交换式MRAM，"IBM研究中心（位于纽约州约克敦海茨）MRAM高级经理、杰出研究员兼首席研究专家Daniel Worledge在采访中表示。"IBM公司的John Slonczewski早在1996年就提出应该通过自旋力矩技术构建这套方案，但当时我们以为场交换机制的效果更理想。"
"我们在DARPA资助项目结束之后，开始转向自旋力矩实现方式。现在我们已经迎来了该项技术的二十周年，且通过与三星方面的合作将其设计制程缩减至11纳米，"Worledge介绍称。
不过Worledge认为IBM的STT MRAM还无法在短时间内取代DRAM，但他深信SST MRAM能够凭借着易于嵌入、速度极快且拥有无限次读取与写入能力等优势冲击嵌入式闪存方案，特别是在读写寿命方面。接下来，IBM公司计划对该单元的工程参数进行优化，从而在最快三年之内与合作伙伴将其推向量产。
自旋转移力矩（简称STT）磁性随机访问存储器（简称MRAM）中的每个bit单元都包含一个晶体管外加一条垂直排列的隧道交叉点。该隧道交叉点包含两个磁体，其一的北极永远指向上，其二则为自由磁体、其北极可在向上与向下间切换以代表存储0或者1。其只需要7.5微安电流通过即可实现偏振方向编程。
IBM自旋转移力矩（简称STT）磁性随机访问存储器（简称MRAM）当中单一11纳米交叉点的透射电子显微镜影像。
IBM与三星双方需要克服的最大挑战在于，如何建立起垂直方向单元。
"早在2009年，我们就意识到要想实现优于DRAM的实际存储效果，我们必须使用垂直磁性单元，因为DRAM就必须采用垂直容量单元，"Worledge在采访中解释称。"在研发早期，我们与TDK协作以创建这种垂直架构。我们还与美光公司建立起初步合作关系，其目前仍在参与MRAM的研发。但最终，我们与三星成为合作伙伴，其于上周在Zurich实验室中设立了MRAM论坛，从而将这套垂直架构的制程工艺推进至11纳米级别--另外，进一步达到10纳米级别的途径也已经明确。"
之所以自旋转移力矩成为这套架构中的重要组成部分，是因为与目前EverSpin及其它厂商打造的磁场交换MRAM相比，前者只需要7.5微安电流即可完成bit写入--这一水平远优于场交换技术的毫安级别功耗要求。
工作原理
再来看更多细节。IBM公司使用单一场效应晶体管（简称FET）通过STT MRAM内的一条垂直磁性隧道交叉点（简称MRJ）实现读写电流控制。位于堆叠结构底部的FET接入该MRJ，后者则由钴-铁-硼（CoFeB）化合物层构成，同时配合固定旋转取向的镁氧化物（MgO）隧道栅极以及可进行自旋转变以代表0与1的CoFeB顶层。此堆叠体系还辅以另一MgO层，旨在强化垂直磁体各向异性（简称PMA）并降低自旋电流流失。
IBM纽约州约克敦海茨研究院MRAM部门高级经理兼首席研究科学家Daniel WOrledge。
各bit单元的指向反转能够在电流经过后的短短10纳秒内完成。如果电流通过交叉点由下向上前行，则该bit亦会随之朝向位于底部的CoFeB层。而如果电流自上而下推进，bit则会背向位于底部的CoFeB层。通过优化该单元的工程设计，其驻留生命周期可达到十至二十年之间，Worledge介绍称。
IBM公司科学家Janusz Nowak展示11纳米衢州转移力矩（简称STT）磁性随机访问存储器（简称MRAM）。
"STT MRAM的关键性优势在于结合了非易失性与无限使用寿命，这不同于当前乃至可预见的未来所存在的任何其它存储技术。另外，其亦通过对bit以及磁性材质垂直异向性的优化拥有极长的数据驻留周期，"Worledge在采访中解释道。
在对设计方案进行测试时，其每14亿次写入中仅存在1次写入错误，配合标准纠错技术即可实现完美存储效果，Worledge表示。
IBM公司科学家Guohan Hu手持一叠自旋转移（简称STT）磁性随机访问存储器（简称MRAM）晶圆。
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