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作者：Mark Chambers 長久以來，我們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盤(SSD)已經能大幅縮減用戶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仍然以非揮發性存儲器(NVM)為主，主要采用閃存。盡管與傳統硬盤相比，閃存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，閃存的讀取速度顯然遜色許多。 2000年中，非揮發性存儲器領域出現了一匹黑馬──磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)，它強調高可靠性、趨近無限的使用壽命、低功耗、更廣的工作溫度范圍，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，希望制造出在密度和速度方面都能與其他主流非揮發性存儲器競爭的嶄新元件。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儲存數據的關鍵因素。傳統MTJ是由兩個被薄型隧穿介電質隔開的磁性層所組成。數據會在磁性層上依照磁化向量的方向儲存。位于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切換，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，隧穿電流便會流經位于中間的薄介電層。而其磁性存儲器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存儲器單元中的數據。 
圖1：Everspin MRAM封裝的X光圖片 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會置于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，這主要是由于其架構設計，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，是光刻工藝。 然而，在推出16Mb的封裝元件后，我們可以看到，該公司并不是因為采用先進工藝技術而提升密度；其16Mb和4Mb的元件都共用主流的光刻工藝，而且單元尺寸相同。看起來，過小的工藝可能會導致半選問題。Everspin公司采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、寫和擦除數據所需的開銷。
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。而用于下一代MRAM的技術──自旋力矩(Spin-torque)，則可望加快讀/寫速度并提高密度。這是否有可能在未來讓MRAM真的能取代閃存，成為SSD的關鍵存儲器，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存儲器。 |
