《新型存储器MRAM（二）：产业洞察》
| 出自：战略研究室
中国科学院上海微系统与信息技术研究所
| 作者：朱雷
2018-10-15 15:57 发表于上海
本篇为该系列第二篇，查看第一篇请点击蓝字：《新型存储器MRAM（一）：技术解析》
二. MRAM产业公司
当前，国际上有超过20家美、日、韩、台湾等国家和地区的公司致力于研发MRAM产品（表2）。其中，起到推动作用的公司有IBM、Eversipin和以Samsung为代表的半导体公司。其中，IBM是MRAM的先驱和主要推动者。早在20年前，IBM的实验室就率先开展MRAM的研发工作，并在第一代astroid-MRAM和第二代STT-MRAM的研发中取得了多项突破，为MRAM的发展做出了巨大的贡献；Everspin是目前市场上唯一一家能够大批量提供商用MRAM产品的上市公司，其继承并发展了Freescale的MRAM技术。Everspin能够提供的MRAM芯片容量从128Kb到256Mb，这些存储芯片主要的应用领域集中在工业、航空航天、车用、能源与物联网等；近年来，Samsung、Global Foundries、TSMC等半导体制造大厂也在加速布局STT-MRAM。它们的目标是在近期内开发出嵌入式MRAM（eMRAM）产品，不同是Samsung和Global Foundries的晶体管制备倾向于采用FD-SOI工艺，而TSMC则采用FinFET工艺。随着MRAM制造技术不断趋于成熟以及市场需求的不断扩大，越来越多的公司进军MRAM领域，这将加速MRAM的产业化进程。
国内的MRAM产业仍处于起步阶段，整体实力薄弱，对全球MRAM的产业发展的贡献较少。在器件制备方面，除了2016年兆易创新斥资500万美元入股Everspin这一战略投资以外，仅有零散的几家初创公司（上海磁宇、浙江海康驰拓等）以及高校和科研院所（南京大学、北京航空航天大学、华中科技大学、中科学物理所等）开展MRAM的研发工作；在制造设备研发方面，江苏鲁汶仪器研发出8英寸MRAM刻蚀设备，支持28nm工艺节点，能够满足大学、研究所等小线的生产。该设备近期已向台湾工研院少量出货。
总体上，近20年来，在产业公司及科研机构的推动下，MRAM的发展主要历了astroid-MRAM、toggle-MRAM以及STT-MRM等3个阶段（图11）。受限于磁性隧道结架构缺陷和制造能力，2010年以前的MRAM的存储容量较小（＜64Mb）。2010年以后，STT-MRAM的设计和制造技术不断趋于成熟，促进了MRAM的存储容量不断提升。STT-MRAM已经成为MRAM的主流技术路线。目前基垂直磁各向异性的磁隧道结的STT-MRAM的存储容量已经突破了1Gb，有望在今后几年实现更大规模的量产和更加广泛的应用。
图11 MRAM的发展现状（以当年最大存储容量计）
表2 MRAM产业主要公司
三. 应用场景和市场趋势
MRAM凭借具有数据非易失性、无限次擦写、长寿命、低功耗、对软错误免疫等优点，更兼具SRAM的高速读写能力和DRAM的高集成度特点，成为缓存系统的最佳候选者之一。下面以Everspin的产品为例，介绍MRAM的主要应用场景。
Everspin是目前唯一一家MRAM芯片供应商，其MRAM产品已经渗透到包括计算机内存、航空航天、工业自动化、汽车电子、医疗等多个领域（图12）：
1. 在计算机内存领域，高密度的MRAM可部分替代磁硬盘。2013年Buffalo Memory公司宣布在固态硬盘SSD中采用STT-MRAM替代传统DRAM作为高速缓存。另外，2018年，IBM将 256Mb STT-MRAM芯片引入最新一代企业级SSD中；
2. 在航空航天领域，MRAM可在飞机控制系统的信息存储和处理中发挥作用。2009年，法国空客公司决定在A350 XWB飞机的飞行控制计算机中采用MRAM替代原来的SRAM和FLASH。同年，日本发射的由AAC Microtec公司设计的地球观测卫星SpriteSat将其磁强计子系统中的存储器用MRAM代替原来的SRAM和FLASH；
3. MRAM可用于工业自动化的程序控制中。2008年西门子工业自动化事业部采用4Mb MRAM用于工业控制的人机交互界面；
4. MRAM在高温下可靠性良好，满足汽车电子对内存产品的要求。2009年，宝马公司在摩托车发动机控制模块采用MRAM以保证数据在断电情况下不丢失；
5. MRAM亦可以用在高可靠性医疗设备中。2018年，日企株式会社在其血液透析设备中使用4Mb和16Mb MRAM产品以记录机器性能参数和患者提升数据。
图12 MRAM的应用场景
当下MRAM正处于快速发展阶段，更多的技术突破比如新颖的外围电路设计，多级、多核以及3D STT-MRAM存储阵列的架构、更先进的工艺制程等将使得STT-MRAM的存储密度及能量节省上将具有更大的优势，MRAM将应用在更多的场景中，其市场份额也将不断增加。据Coughlin Associates预测，MRAM市场将会从2017年的3600万美元增长到2028年的33亿美元（图13）。不过，尽管以MRAM为代表的新型存储器市场会快速增长，但它们仅能部分取代SRAM及DRAM产品。未来DRAM和SRAM市占率将有所下降，但仍会是存储器的主流。
图13 MRAM市场趋势
本文为SIMIT战略研究室原创
