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圖1：Everspin MRAM封裝的X光影像。

長久以來，我們這些缺乏耐性的人，一直期待著所有消費電子產品的開機時間能盡量縮短，愈快愈好。剛剛才打入消費市場的固態硬碟(SSD)，已經能大幅縮減使用者等待開機或將機器從睡眠中喚醒的時間，事實上， SSD 已經能實現極短時間的開機，或是瞬間喚醒機器。
目前， SSD 仍然以非揮發性記憶體(NVM)為主，主要採用快閃記憶體。儘管與傳統硬碟相比，快閃記憶體的速度提高了好幾個數量級，但今天在使用 SSD 開機時還需要等待一會兒。這也暴露出一個事實──在與ROM或DRAM相比時，快閃記憶體的讀取速度顯然遜色許多。

2000年中，非揮發性記憶體領域出現了一匹黑馬──磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)，它強調高可靠性、趨近無限的使用壽命、低功耗、更廣的工作溫度範圍，而且更重要的是，它的讀取時間快到能媲美 DRAM 。這些特性讓 MRAM 成為眾所矚目的焦點，吸引數家公司投入開發，希望製造出在密度和速度方面都能與其他主流非揮發性記憶體競爭的嶄新元件。 Everspin 正是其中一家企業，該公司已經推出商用化的 MRAM 產品。

磁穿隧結(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)是在MRAM儲存資訊的關鍵因素。傳統MTJ是由兩個被薄型穿隧介電質隔開的磁性層所組成。資訊會在磁性層上依照磁化向量的方向儲存。位在一個磁化層上的磁性向量是磁性固定(magnetically fixed)或被固定(pinned)的，此時其他層則是磁性自由，可在相同和相反方向之間進行開關，分別稱之為「平行」或「反平行」狀態。當在固定和自由層之間施加小的偏置電壓時，穿隧電流便會流經位於中間的薄介電層。而其磁性記憶體單元會透過響應平行和反平行狀態，呈現出兩種不同的阻值。因此，藉由檢測電阻變化， MRAM 元件便能提供儲存在磁性記憶體單元中的資訊。

MTJ結構被整合到另一個典型CMOS積體電路的互連部份。在寫入過程中，選定的MTJ會置於所選擇的寫入字線和選定的位元線之間。當電流經過所選的字線和位元寫入線，便會在這些線的周圍建立磁場。而在選定MTJ的上磁場向量總和必須足夠切換狀態。不過，沿著選定的字線或位元寫入線產生的磁場也必須足夠小，以確保不會切換到俗稱的「半選」(half selected ) MTJ狀態。所謂半選狀態僅作用在所選擇的字線與位元寫入線周圍。

2006年， UBM TechInsights 曾拆解過飛思卡爾的 MRAM 元件，該元件具有一個尺寸約26mm2的晶粒，密度為4Mb。與其他的 NVM 技術相比，其晶粒效率似乎較低，這主要是由於其架構設計，需要相當龐大的開銷所致。而今，由飛思卡爾成立的 Everspin Technologies 推出了16Mb的 MRAM 元件，其晶粒尺寸僅為58mm2──尺寸僅提高二倍，但效能卻提升四倍。通常，增加密度的主要方法之一，是微縮製程。

然而，在推出16Mb的封裝元件後，我們可以看到，該公司並不是因為採用先進製程技術而提升密度；其16Mb和4Mb的元件都共用主流的微影製程，而且單元尺寸相同。看起來，過小的製程可能會導致半選問題。 Everspin 公司採取的方法是重新設計架構，拿掉了一個背部的互連層，用改良過的電路來最小化讀、寫和擦除資料所需的開銷。

圖2：Everspin的MRAM晶粒圖。

Everspin聲稱該公司2011年的MRAM出貨量成長了300%，獲得250個新的設計訂單(design win)，其中包括戴爾、LSI和BMW等。而用於下一代MRAM的技術──自旋力矩(Spin-torque)，則可望加快讀/寫速度並提高密度。這是否有可能在未來讓MRAM真的能取代快閃記憶體，成為SSD的關鍵記憶體，再縮短開機時間？我們很快就會知道答案。SSD市場正在快速成長，因此，這個產業勢必需要更高速的記憶體。

本文作者Mark Chambers是《EE Times》姊妹公司UBM TechInsights的資深製程分析師。

編譯： Joy Teng

(參考原文： A closer look at Everspin's MRAM technology ，by Mark Chambers)