全世界极少数成功,国研院团队研发新型态 MRAM 内存



随着现代生活应用到芯片的地方越来越多,目前全世界半导体芯片都严重供不应求,体积更小、容量更大且效能更高的新型内存亟待问世。由国研院半导体中心主导的研究团队,现在成功开发出全世界极少研究的垂直磁异向性“自旋轨道力矩式磁性内存”,靠着全新设计结构、平坦化制程等优势登上舞台。

以前只用在电脑和智能手机等 3C 产品,现在从智慧家电、智慧汽车、智慧城市到太空、国防领域,都应用大量芯片来随时记录各种数据。为了满足庞大运算需求,并追求更小体积、更大容量、更高效能,科学家正致力于研发新一代嵌入式内存。

国研院半导体研究中心制程整合组组长李恺信形容,内存就像直接呈放资料的“桌面”,可以省去反复开关抽屉拿资料的时间,是影响资料处理能力与执行速度的关键。

目前市面上大量使用的内存可按照“停止供电后是否还能保留资料”分成两大类:挥发性内存与非挥发性内存,前者如应用于电脑中的 DRAM(如果有自组电脑应该都知道 DDR3、DDR4)、SRAM,优点是速度快,缺点为耗电、断电后资料流失;后者如随身碟、HDD、光碟片,优点是断电后资料不会流失,缺点为速度慢。

为了寻找兼顾挥发性内存与非挥发性内存优点的新兴内存,电性电子元件相关研究进展已经超过 60 年,其中磁性内存(MRAM)在最近 5 年终于可开始应用于产品上,由于具有能耗低、读写速度快、面积小、非挥发性等优点,有望成为嵌入式或独立式皆通用的内存。

▲ 国研院主导的研究团队开发出新型态 MRAM 元件。(Source:科技新报)

和 DRAM(面积 2,048 nm2)、SRAM(面积 21,000 nm2)相比,MRAM 面积仅 400 nm2,但读写速度媲美 SRAM,目前 MRAM 已有“自旋转移力矩式磁性内存”(STT-MRAM)和“自旋轨道力矩式磁性内存”(SOT-MRAM)等型态,而由国研院领导组成的团队以及特殊读取方式,成功研发出全世界极少钻研的垂直异向性 SOT-MRAM 元件,特点为具有比 STT-MRAM 更低的写入能量和更快的写入时间,且无须外加磁场。

其运作原理为改变电子自旋时产生的微小磁矩方向来记忆 0 与 1 以保存资料,不运算时就不必供电,即使断开电源也不会流失资料,且磁性翻转速度可达奈秒级。

不过与其他内存结构仅堆叠 5~6 层薄膜相比,垂直异向性 SOT-MRAM 内存堆叠了 30 几层超薄原子级薄膜,使用铁、钴、镍、铂、铷等 20 多种元素,制造技术门槛相当高,国研院半导体中心正在逐步建置包含溅镀系统、蚀刻系统、曝光系统等完整制程设备,希望未来能支援各界进行 MRAM 测试与开发。

该团队研究成果已于今年 6 月在世界著名的半导体研讨会议“2021 Symposia on VLSI Technology and Circuits”上发表。

(首图来源:国研院提供)

2021-11-09 22:03:00
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