日本MRAM研发领先,耗电降至1/50

日经中文网·2021-07-29 16:55
利用电子的自旋(Spin)性质的“磁性随机存储器(MRAM)”迎来了普及期。以日本东北大学的研究为起点,

利用电子的自旋(Spin)性质的“磁性随机存储器(MRAM)”迎来了普及期。以日本东北大学的研究为起点,索尼集团等正在推进技术开发。在半导体微细化接近极限的背景下,MRAM通过与微细化不同的方法,实现了不到以前50分之1的耗电量和高速运行。这种存储器还有望应用于人工智能(AI)和无人驾驶领域。

“突破了技术难关”,日本的东北大学教授远藤哲郎如此形容MRAM的技术开发现状。该校校长大野英男因研究“自旋电子(Spintronics)”而被提名为诺贝尔奖候选人。以校长为主导,东北大学从1990年代开始引领MRAM研究。但由于量产困难,长期以来一直未能达到实用水平。近年来,随着内部结构的改进等,普及终于有了眉目。

日本的大学和企业在MRAM研发领域领先(东北大学的开发基地,右边为远藤教授)

MRAM的特点是断电后不会丢失信息。由于可在保存数据(运算到一半的数据等)的情况下切断电源,与现有DRAM和SRAM存储器相比,可大幅降低耗电量。而且MRAM也可实现以纳秒(十亿分之一秒)为单位、与DRAM同等的高速运行。

远藤教授等人组成的团队为控制电子设备的微控制器(MCU)等嵌入MRAM,成功使耗电量降低到现有半导体的50分之1。据称如果搭载到可穿戴终端、有望用于自动驾驶的边缘终端、人工智能等上,耗电量有望降至1000分之1。

日本的东北大学在2018年还成立了源自大学的初创企业,并推进与企业的合作和提供授权。首先主要面向非尖端微控制器,将来的目标是应用于AI服务器等。远藤教授指出,有望用于使用先进AI处理技术的自动驾驶,“目前正在与日本国内的汽车厂商和大型零部件厂商推进合作”。

从脱碳化的角度来说,MRAM存储器非常有望降低数字设备的耗电量。大野校长表示,“MRAM对于构建既能减少二氧化碳排放又能实现发展的社会,可以发挥巨大作用”。

在50多年的时间里,半导体的性能通过电路线宽微细化取得了飞跃性进步。关于一块芯片上集成的元件数量,英特尔1971年发布的首个CPU(中央处理器)约为2300个,苹果最新的“M1”芯片为160亿个,增加到约700万倍。

但进入2010年代以后,电路线宽开始逼近原子大小,微细化越来越接近极限。在要求更高性能的AI时代到来之前,除微细化之外,还需要其他的突破来提高性能和降低耗电量。利用自旋性质的MRAM是有力候选。

日本在MRAM研发领域领先。日本经济新闻(中文版:日经中文网)在日本专利调查公司Patent Result的协助下,调查了MRAM有效专利数量(日本国内)。结果发现,铠侠(KIOXIA,原东芝存储器)、索尼集团、东北大学等跻身前十。日本的企业和大学在美国专利排行榜中也名列前茅。

索尼集团在6月举行的国际学会上发布了可与主力产品CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器层叠的MRAM技术。用一块芯片来完成照片拍摄、图像处理、数据保存,使手机摄像头有望实现小型化和高速运行。

日本产业技术综合研究所开发出了采用特性均一的单晶记忆元件的MRAM制造技术。要想在数据中心等使用的AI运算半导体中使用MRAM,需要制造微细的记忆元件。与现行的多晶产品相比,单晶记忆元件更容易推进微细化。日本产业技术综合研究所的汤浅新治表示,“希望5~10年达到实用化”。

在MRAM的制造设备方面,东京电子和爱德万(Advantest)开展相关业务。日本经济产业省6月提出振兴半导体产业的战略,也有可能助力日本企业恢复国际竞争力。

在海外企业中,美国半导体初创企业Ambiq Micro开发出了嵌入MRAM的省电微控制器。中国OPPO等手机厂商决定在智能手表上采用。

大型海外企业在量产方面领先。台积电(TSMC)从2020年下半年开始量产嵌有MRAM的运算半导体。三星电子及英特尔等也构建了量产体制。

美国Ambiq开发出嵌入MRAM的微控制器

MRAM的量产才刚刚就绪。为了扩大用途,需要解决大容量化和高速化等课题。利用微控制器暂时存储数据的用途是从新一代产品开始的,预计全面安装在手机外围电路上要到2023年以后,在手机和数据中心的核心部分使用还会更晚。

利用新方法突破“摩尔定律”的界限

半导体的集成度每18个月翻番的“摩尔定律”正在成为过去式。在此背景下,相继出现了利用微细化以外的方法提高性能的做法。

台积电将在日本茨城县筑波市设立半导体后工序的共同开发基地。通过在基板上重叠芯片等高效封装为一体,可以提高性能、节省电力。预计日本国内将有材料厂商等20多家企业参与这一项目。

NTT在面向新6G的光通信技术“IOWN”中,设想利用光信号驱动半导体。与利用电信号驱动的现有半导体相比,可以提高效率。为了实现这一点,NTT将与英特尔等合作。

在20世纪70年代,半导体线宽只有3微米,目前实用产品的线宽突破5纳米。台积电、IBM致力于开发2纳米产品,比利时的研发机构IMEC着眼于1纳米以后。不过,各厂商还同时推进利用微细化以外的方法提高性能。

与过去大多依靠微细化提升性能不同,今后结合多项技术来设计、制造适合各种用途的半导体将左右竞争力。有望格外省电的MRAM将成为不可或缺的技术组合之一。

 

MRAM :新一代半导体存储器,通过电子自旋(Spin)的方向来记录数据。特点是即使切断电源也可保存数据。与通过电量(电荷)记录的DRAM等相比,耗电量大幅减小。

不光用于存储器,还可嵌入MCU(微控制器)及CPU(中央运算处理装置),保存处理过程中的数据。法国调查公司预测,嵌入式MRAM的市场规模到2026年将增至现在的100倍,达到17亿美元。

本文来自微信公众号 “日经中文网”(ID:rijingzhongwenwang),作者:龙元秀明、下野裕太,36氪经授权发布。

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