三星研發(fā)出運(yùn)算存儲(chǔ)MRAM

三星的研究人員聲稱已經(jīng)開發(fā)出有史以來最小、最節(jié)能的非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。

該團(tuán)隊(duì)采用該公司的 28nm 嵌入式 MRAM，并將磁性隧道結(jié)擴(kuò)展到 14nm FinFET 邏輯工藝。研究人員將在 12 月召開的國際電子器件會(huì)議上報(bào)告這一點(diǎn)，改論文的名稱是World’s most energy-efficient MRAM technology for non-volatile RAM applications.。

論文中提到，該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)了一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器，其寫入能量要求為每比特 25pJ，讀取的有效功率要求為 14mW，寫入的有效功率要求為 27mW，數(shù)據(jù)速率為每秒 54Mbyte。循環(huán)為 10^14 個(gè)周期，當(dāng)擴(kuò)展到 16Mbit 設(shè)備時(shí)，一個(gè)芯片將占據(jù) 30 平方毫米。

為了實(shí)現(xiàn)這一性能，研究團(tuán)隊(duì)將磁性隧道結(jié)縮小到三星的 14nm FinFET 邏輯平臺(tái)，與 28nm 的前身相比，面積增加了 33%，讀取時(shí)間加快了 2.6 倍。

該研究的目標(biāo)之一是證明嵌入式 MRAM 作為高速緩存存儲(chǔ)器適用于依賴大型數(shù)據(jù)集和分析的應(yīng)用，例如邊緣 AI。

早前報(bào)道：三星研發(fā)出運(yùn)算存儲(chǔ)MRAM

三星半導(dǎo)體宣布，通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了基于MRAM（磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)）的存儲(chǔ)內(nèi)運(yùn)算（In-Memory Computing），進(jìn)一步拓展了三星下世代低功耗AI芯片技術(shù)。

傳統(tǒng)的運(yùn)算體系中，存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)移到處理芯片的數(shù)據(jù)運(yùn)算單元進(jìn)行處理，因此其對(duì)于頻寬、延遲的要求非常高。

至于存儲(chǔ)內(nèi)運(yùn)算則是一種新的運(yùn)算模式，也可以當(dāng)作存儲(chǔ)與運(yùn)算一體化的表現(xiàn)，也就是說，在存儲(chǔ)中同時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，無需移動(dòng)數(shù)據(jù)。同時(shí)，在存儲(chǔ)網(wǎng)路中的數(shù)據(jù)處理是以高度平行的方式執(zhí)行，因此提高性能的同時(shí)，還能大大降低功耗。

如果與其他存儲(chǔ)比較，MRAM在運(yùn)行速度、壽命、量產(chǎn)方面都有明顯優(yōu)勢，功耗也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)DRAM，關(guān)鍵是還具有非揮發(fā)的特點(diǎn)，斷電也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

可是MRAM也有其缺點(diǎn)，因?yàn)楹茈y用于存儲(chǔ)內(nèi)運(yùn)算，使得在標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)內(nèi)運(yùn)算架構(gòu)中無法發(fā)揮低功耗優(yōu)勢。為了克服這一點(diǎn)，三星研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種名為“電阻總和”（resistance sum）的新型存儲(chǔ)內(nèi)運(yùn)算架構(gòu)，取代“電流總和”（current-sum）架構(gòu)，進(jìn)而成功開發(fā)了一種能演示存儲(chǔ)內(nèi)運(yùn)算架構(gòu)的MRAM陣列芯片，命名為“用于存儲(chǔ)內(nèi)運(yùn)算的磁阻式存儲(chǔ)交叉陣列”（crossbar array of magnetoresistive memory devices for in-memory computing）。

目前來看，這一交叉陣列成功解決了單個(gè)MRAM小電阻問題，從而降低功耗，實(shí)現(xiàn)了基于MRAM的存儲(chǔ)內(nèi)運(yùn)算。按照三星研究，在執(zhí)行AI運(yùn)算時(shí)，采用MRAM存儲(chǔ)內(nèi)運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)98%的筆跡辨識(shí)成功率、以及93%的人臉辨識(shí)準(zhǔn)確率。

根據(jù)Report Linker研究，全球MRAM市場2021年至2026年的年復(fù)合成長率將達(dá)25%，并于2026年達(dá)到62億美元的規(guī)模。該市場的主要驅(qū)動(dòng)力是對(duì)穿戴式裝置的需求增加、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的高度采用、運(yùn)算技術(shù)的進(jìn)步、對(duì)更高存儲(chǔ)空間的需求以及縮短啟動(dòng)時(shí)間等因素。除了三星之外，Avalanche、CROCUS、Honeywell以及Everspin都是主要MRAM制造商。

最新研究顯示，除了Toggle MRAM與自旋轉(zhuǎn)移力矩式磁性存儲(chǔ)（STT-MRAM）之外，自旋軌道力矩式磁性存儲(chǔ)（SOT-MRAM）正在崛起。近年來包含英特爾、IMEC、三星及臺(tái)積電都投入SOT-MRAM相關(guān)研究，不過量產(chǎn)仍需10年時(shí)間，也是須持續(xù)關(guān)注的趨勢之一。

臺(tái)積電入局mram，叫板三星？

早前，臺(tái)灣工研院攜手臺(tái)積電共同發(fā)表的SOT-MRAM技術(shù)，能在低電壓、電流的情況下，達(dá)到0.4納米的高速寫入，并具備7兆次的耐受度。

該項(xiàng)技術(shù)未來可整合成先進(jìn)制程嵌入式記憶體，在AI人工智慧、車用電子、高效能運(yùn)算芯片等領(lǐng)域具有極佳的前景。工研院電子與光電系統(tǒng)所所長張世杰樂觀的表示：「MRAM兼具快閃記憶體非揮發(fā)性，近年來已成為半導(dǎo)體先進(jìn)制程、下世代記憶體與運(yùn)算的新星?！?/p>

國立陽明交通大學(xué)也在今日的VLSI上，共同發(fā)表新磁性記憶體的高效能運(yùn)作技術(shù)。透過優(yōu)化STT-MRAM（自旋轉(zhuǎn)移矩磁性記憶體）的膜層和元件，提高寫入速度，降低延遲、電流，并拉長使用壽命。

最重要的是，STT-MRAM能在127度到零下269度的范圍內(nèi)，穩(wěn)定且高效運(yùn)作，這也是工作溫度橫跨近400度的STT-MRAM，第一次在實(shí)驗(yàn)中被驗(yàn)證。未來可應(yīng)用于量子電腦、航太等產(chǎn)業(yè)當(dāng)中。

過去的傳統(tǒng)架構(gòu)中，處理器（CPU）會(huì)從記憶體內(nèi)，存取已儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行運(yùn)算處理。在一來一往的讀寫過程中，數(shù)據(jù)會(huì)徘徊在處理器和記憶體之間，造成延遲、高耗能等情況產(chǎn)生，影響到運(yùn)算效率。

2018年，臺(tái)積電董事長劉德音就談過記憶體內(nèi)運(yùn)算（in-memory computing），即將邏輯芯片、記憶體進(jìn)行異質(zhì)整合，提升運(yùn)算效能。事實(shí)上，許多研究機(jī)構(gòu)都在嘗試用不易耗損的新型記憶體開發(fā)此技術(shù)，但當(dāng)中并不包含當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的NAND（快閃記憶體）。

MRAM為一種非揮發(fā)性記憶體，兼具耗能低、讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，以及微縮至22納米以下的潛力，相當(dāng)適合應(yīng)用在嵌入式記憶體的領(lǐng)域。

臺(tái)北清華大學(xué)張孟凡教授所的團(tuán)隊(duì)使用MRAM，成功開發(fā)全球第一片非揮發(fā)記憶體內(nèi)運(yùn)算電路芯片。根據(jù)媒體報(bào)導(dǎo)，相關(guān)論文發(fā)布后，三星也在今年一月發(fā)布類似論文，實(shí)驗(yàn)芯片則搶在臺(tái)積電前公布，較勁意味濃厚。

編輯：黃飛

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