2014年06月18日08:22
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STT-MRAM是指採用自旋注入磁化反轉（spin transfer torque：STT）數據擦寫技術的磁存儲器（MRAM）。這種存儲器具有非易失性、運行速度快、擦寫次數無限制等半導體存儲器的理想性能。但目前還不具備可與現有存儲器抗衡的成本競爭力。如果今后能夠通過微細化來實現大容量化等，從而提高成本競爭力，就可考慮取代現有存儲器。
STT-MRAM備受期待的應用是，通過替代電子設備的主存儲器及緩存所使用的DRAM及SRAM，使其具備非易失性，以大幅降低功耗。這種存儲器也許會改變“存儲器（硬盤及NAND閃存）為非易失性、更高層級的內存（DRAM及SRAM）為易失性”的傳統計算機架構。
傳統型MRAM方面，美國飛思卡爾半導體（Freescale Semiconductor）已於2006年開始量產，並使其在工業設備上達到實用水平。但這種存儲器存在很難通過微細化來實現大容量化的課題。原因是採用了向數據寫入線通入電流並利用在其周圍產生的磁場來進行數據擦寫的方式。這種方式因為越實現微細化，數據擦寫所需要的電流就會越大，所以無法縮小提供擦寫電流的晶體管的尺寸。這成了實現微細化的瓶頸。
STT-MRAM的工作原理（東芝的資料）
而STT-MRAM則利用向名為MTJ（magnetoresistive tunnel junction，磁阻隧道結）的存儲元件通入的電流來擦寫數據。利用了在電子自旋的力矩作用下使MTJ的磁化方向發生反轉的工作原理。這種方式的優勢在於微細化程度越高，擦寫所需要的電流越小。因此，容易通過微細化來實現大容量化，有望達到Gbit級存儲容量。不過，這種存儲器也存在需要克服的課題，比如元件的特性偏差會隨著微細化程度的提高而增大。
其實，STT-MRAM已經開始實現商用化。飛思卡爾的MRAM部門獨立出來后成立的美國Everspin Technologies就已經向市場投放了這種產品。但目前容量隻有64Mbit，要擴大市場，需要實現大容量化。
通過讓緩存具有非易失性來降低功耗
目前，STT-MRAM正在朝著兩大用途推進開發。一個是取代微處理器等混載的緩存。現行緩存使用易失性存儲器（SRAM），將其換成非易失性STT-MRAM之后，可以高頻率切斷電源。這樣便可大幅降低功耗。
東芝開發的STT-MRAM
在2014年6月9日於美國檀香山開幕的國際會議“2014 Symposia on VLSI Technology and Circuits（以下稱VLSI Symposia）”上，東芝發布了可實現業界最高性能緩存的STT-MRAM。據該公司介紹，通過將SRAM換成STT-MRAM，可使在處理器功耗中佔大半的緩存功耗降低約60％。
在VLSI Symposia上，日本超低電壓元器件技術研究聯盟（LEAP）也發布了以取代SRAM為目標的STT-MRAM技術。STT-MRAM採用適合進行微細化的構造，但隻靠蝕刻技術來實現的話，無法避免因MTJ尺寸不均而造成的特性偏差。於是，LEAP新開發出了能夠在不僅僅依靠蝕刻技術的情況下讓MTJ實現微細化的工藝技術。
移動設備用處理器領域的霸主——美國高通也在大力開發STT-MRAM技術。該公司在本屆VLSI Symposia上發表特邀演講，介紹了面向處理器混載用途的STT-MRAM技術。
還有望取代DRAM
STT-MRAM的另一個開發方向是DRAM的部分替代用途。為了實現這一用途，東芝、韓國三星電子、SK海力士及美國美光科技等大型存儲器廠商展開了激烈的開發競爭。
目前東芝正在與SK海力士聯合開發用於該用途的STT-MRAM。兩公司打算瞄准SSD的緩存所使用的DRAM的替代用途等，於2015∼2016年向市場投放Gbit級STT-MRAM。目前還在考慮用其代替移動設備用DRAM。
在本屆VLSI Symposia上，三星發布了用來取代DRAM的STT-MRAM技術。該公司公開了可使MTJ微細化至15nm以上的技術。（作者：大下 淳一，日經技術在線！供稿）
