兵分兩路的eMRAM戰場

MRAM在問世之初被期許為讀寫快如DRAM、永久儲存如Flash的全能記憶體。然而在元件的發展上，這兩種特性的要求是相互排斥的。

眾所周知的，MRAM的記憶體儲存狀態“0”或“1”是靠其兩個鐵磁層的磁矩相對排列方向來決定。記憶的內容要牢靠，磁矩就要穩定，在熱擾動下不會改變方向。以術語來說，就是磁各向異性能(magnetic anisotropic energy)要夠大。磁各向異性能是指磁矩在各方向－譬如在磁性薄膜的平面方向與垂直方向－的能量差別，磁各向異性能越大磁矩越傾向於停留於低能量的那個方向。

但是越穩定的磁矩，要翻轉它也越困難。翻轉磁矩是一個機率的過程，要確定一個磁矩被翻轉，施加的電流要夠大，時間要夠長。這便導致要用大的電晶體來驅動大電流，記憶體尺寸便難微縮；而且寫入資料的時間也長。所以MRAM先天上就存著衝突的特性，工程上的努力都集中在加強鐵磁材料與氧化鎂之間的介面磁各向異性能－譬如將以前的水平磁矩改成垂直磁矩以提高各向異性能的密度－與尋找新的物理機制－如SOT或VCMA，可以用較小的電流、較快的翻轉磁矩。這兩個方向驅使MRAM最終往快速、永久性記憶體方向邁進。

現在的MRAM技術還沒辦法兼具快速讀取和永久記憶二者，但是可以在二者擇一而讓它變成專一的元件，這就是MRAM迷人的地方，特別是在嵌入式記憶體的應用。這兩年來在磁性薄膜材料、結構、沉積設備的各種集體努力之下，磁各向性異能從原先的比每平方公分1爾格稍高提升到每平方公分3爾格多，這讓各公司於eMRAM的應用拓展了許多。

原先於eMRAM的競技場集中於28/40nm的eFlash的替代。eFlash自90nm以後微縮日益艱難，40nm如果沒有替代品，eFlash面積將占晶片面積的數十%。這類eFlash相似的應用主要在物聯網、車聯網，後市極大。除了晶片尺寸的微縮外，其能耗亦可以降低。雖然MRAM的驅動電流尚未能大幅降低，但其電壓較低，寫入時間亦遠較Flash為短，總功耗整體還是下降。這是許多晶圓代工廠已加入共同角逐的新領域。

去年以來由於磁各向性異能的大幅提升，讓eMRAM在極小的技術節點，譬如feature size 5nm、3nm有了應用的可能。一個MRAM的單元尺寸大概是feature size平方的50倍，相較之下，eSRAM是feature size平方的200倍，就面積來看，用eMRAM當然有極大的優勢。磁各向性異能的提升幅度對於如此小面積的MRAM還不足以讓它成為永久性記憶體(retention time>10yr)，但是如果是當成CPU的L2 Cache，幾ms的retention則綽綽有餘，而且寫入速度可以再提昇。這就是eMRAM的第二戰場：eRAM。這個新戰場，目前則只有有5nm、3nm先進製程的兩、三家有入場券！