eMRAM时代终于要来了？

来源：内容由公众号半导体行业观察（ID:icbank）原创，作者：杜芹，谢谢！
日前，晶圆大厂格芯宣布，其22nm FD-SOI 平台的嵌入式eMRAM已投入生产。公司也在接洽多家客户，计划2020年安排多次生产流片。此次公告是一个重要的行业里程碑，表明eMRAM可在物联网(IoT)、通用微控制器、汽车、终端人工智能和其他低功耗应用中作为先进工艺节点的高性价比选择。
图源：YOLE

而据Yole数据统计显示，到2024年，eMRAM将增长到12亿美元，这得益于一些大型公司的支持。而独立的MRAM市场预计将比eMRAM市场增长缓慢，到2024年的销售额约为5.8亿美元。后者更将带动晶圆代工厂涉足这个市场，多年酝酿之后，eMRAM终于要爆发了？
eMRAM确立领先地位
MRAM是Magnetic Random Access Memory的缩写，中文名称“磁性随机存取存储器”。而eMRAM是指嵌入式磁性随机存取存储器，可作为系统级芯片（SoC、MCU 等）产品的片上存储解决方案。
不同于传统半导体存储器如DRAM、SRAM 和 NAND 闪存等利用电子的电荷特性进行数据存储，eMRAM的技术原理是利用电子的自旋特性实现数据存储，其核心存储器件为磁性隧道结 MTJ。
要说eMRAM的发展机会，就不得不先谈起嵌入式闪存（eFlash）。
eFlash是一种存储模块，用于将信息存储在系统半导体中，例如微电子单元（MCU）和用于小型电子产品（如IoT设备）的SoC中的信息。专家认为，28nm / 22nm硅光刻节点将是eFlash的最后一个具有成本效益的技术节点，而向22nm几何尺寸的过渡就必须找到一种新的嵌入式NVM技术，来适用于新型且快速增长的低功耗应用的替代产品。要知道这是由于经济原因，而不是技术可伸缩性限制。
eflash技术的演进（图源：ISSCC 2020）

eMRAM时代的到来很大程度上是因为嵌入式NOR闪存需要太多的掩码（一打或更多）才能在28nm节点或更高的节点上制造，嵌入式NOR闪存也需要高电压才能写入数据，而且写入时间相当长。
与NAND闪存比较的话，eMRAM的单元大小与NAND闪存相当。但是，与NAND闪存不同，它仅需要额外的2或3个掩模层，这使得添加到CMOS裸片变得容易得多。与NAND闪存不同，它没有耐久性问题。这将是非常重要的，特别是对于那些由于大量写入活动而导致NAND闪存故障的现场问题的公司而言。
相较于其他新兴嵌入式NVM，除了卓越的性能，eMRAM也具备更高的技术成熟度：成熟的磁学物理理论，简单可控的写入机制 (无需先擦除再写入，也无需分步写入)，单比特出错率低，业界已经有28纳米以下的成品，可展示多个Megabit阵列，高良率，高可靠性，并能够与先进工艺无缝融合。下图为不同嵌入式NVM技术比较。
不同嵌入式NVM技术比较（图源：avalanche-technology）

凭借其高数据密度、高速度，耐用性，低功耗和非易失性的特点，以及卓越的性能和技术成熟度，嵌入式非易失性存储器eMRAM成为设计公司在28nm及以下工艺平台的不二选择。
eMRAM之于MCU
现在几乎所有的MCU细分市场现在都使用eFlash解决方案。而eMRAM比eFlash更快，更省电。首先让我们看下eFlash的几个重要衡量参数，包括在特定温度范围内的持久性和保留率，以及内存模块在最大系统频率下需要多少等待状态(额外的时钟周期)方面的性能。下表比较了eMRAM与ST Micro (ST)、TI、Microchip、NXP和Freescale等公司基于ARM的SoC中广泛使用的闪存。
高级嵌入式非易失性内存需求比较（图源：avalanche-technology）

微控制器单元(MCU)是单个集成电路上的小型计算机，通常包含中央处理单元(CPU)核心、静态随机存取存储器(SRAM)模块、嵌入式闪存模块（eFlash）、系统集成模块和包括定时器、模数转换器(ADC)、串行通信和联网的外围模块。片上闪存提供的可编程代码存储有助于降低生产成本，扩大实时自适应控制应用。
相比eFlash主要用于代码存储，eMRAM在MCU中可以同时存储代码和数据，从而实现高效的小系统解决方案。eMRAM是一种可伸缩、高性能、节能的嵌入式非易失性技术，可作为MCU内存子系统的一部分，它可以提供非易失性数据存储需求。而且eMRAM具有非常高的数据持久性和数据保留限制。

对SoC设计者来说，eMRAM为其提供了显著的性能优势，包括超快地写入速度 (