数据驱动时代，人工智能与下一代车用优化芯片eMRAM的基本概念

现如今，“数据”在所有领域都扮演着不可或缺的重要角色。全球每年产生的数据量呈指数级增长，而人工智能、边缘计算和自动驾驶等应用正在加速这一进程。因此，业界对对半导体芯片的开发和可靠供应提出了更高要求，需要同时满足高性能、低功耗和更低的成本。 在此背景之下，使用磁域并集成到微控制器和片上系统（SoC）等系统半导体和处理器中的非易失性存储器，嵌入式磁性随机存取存储器（eMRAM）正在成为下一代存储器中的翘楚，提供出色的性能、可靠性和成本效益。 本系列的上一篇文章“开发‘业界最强能效’下一代MRAM”，探讨了三星通过提高开关效率和隧道通结（MTJ）缩放，实现高性能、高密度、最强能效的技术创新及三星未来扩展其eMRAM产品组合的计划。本文将基于MRAM的基本原理，更深入地了解eMRAM。 DRAM与MRAM有何区别？ 随着移动设备的普及，DRAM在追求低功耗的同时，不断减小单元尺寸、增加集成密度并改进带宽。然而，DRAM作为一种基于电荷的存储器，存在不足之处。即使不运行，DRAM也需要不断刷新以弥补随着时间推移而损失的电荷，产生待机功耗。此外，随着集成密度的增加，存储单元之间的干扰也相继增加，这为继续扩展DRAM带来更大挑战。 于是，MRAM应运而生。这种类型的存储器以MTJ处单位单元的电阻变化为基础，使用“旋转（spin）”替代电荷存储数据，因此几乎可以无限期保留信息，且不需要备用电源。这种架构可以减少设备的总功耗，实现高能效。 基于先进MTJ设计的新进展 三星eMRAM的突破核心在于其增强的MTJ堆栈工艺技术。MTJ由三层结构组成，其中绝缘膜用作两个铁磁¹层之间的隧道屏障。其中，一层铁磁性板为可以改变磁化方向的“自由层（Free Layer）”，另一层铁磁性板则为固定磁化方向的“固定层（Pinned Layer）”。

如图所示，MTJ的电阻根据自由层和固定层的相对磁化方向而变化。如果量子磁性层的磁化方向平行，则MTJ的电阻值较低，用二进制表示为“0”。如果磁化方向“反平行”则MTJ具有较高的电阻值，用二进制表示为“1”。基于此方法，使用该数字数据的构件1和0执行读取和写入。 早期的MTJ设计存在与DRAM类似，为实现更高的集成密度降低单元之间距离，导致磁场受影响，继而引发干扰和误差的缺点。所以，引入了自旋转移矩（STT）又名电流感应开关的概念，籍以解决这些缺点。 现有的MRAM架构通过电流产生的磁场改变自由层的磁化方向，但STT方法可以让电流直接通过MTJ改变自由层的磁化方向。STT有效地处理了单元之间的干扰现象，克服了以往集成技术的局限性。三星半导体正在采用这种方法提高eMRAM技术，并将代工领域最强能效存储产品eMRAM提供给客户。三星半导体将通过这些措施继续履行“让客户享受更轻松、舒适生活”的使命。

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_{¹ 铁磁性物质具有高导磁性、磁饱和性与剩磁性。}