法國的記憶體新創公司Antaios執行長Jean-Pierre Nozières接受《EE Times》採訪時表示，自旋軌道扭矩(Spin-orbit-torque，SOT) MRAM可解決自旋轉移扭矩(Spin-transfer torque，STT) MRAM目前面臨的「三難困境」(trilemma)。

在MRAM這類記憶體寫入時，元件的穿隧氧化層(tunnel oxide)會承受的龐大電壓，使得資料的保存、寫入耐久性，以及寫入速度三者往往不可兼得，必須有所權衡。這意味著即使STT MRAM技術已經接近成熟，其受到的限制仍讓它無法滿足高速RAM應用必須兼具高速寫入、無限耐久性，以及可接受的資料保存能力之需求。

SOT-MRAM在寫入時，磁性元件──即所謂的磁穿隧接面(Magnetic Tunnel Junction)──不需要通過大電流；電流是流經相鄰的「SOT」金屬線。

(圖片來源：Antaios)

成立於2017年的Antaios在2019年開始加大力道開發採用SOT的第三代MRAM。Nozières解釋，SOT是一種自旋電子效應，可望克服STT-MRAM和前幾代MRAM技術遭遇的限制，而且不需要大幅度改變製程。SOT-MRAM藉由完全免除寫入過程中穿隧氧化層上的高電壓，解決了MRAM的三難困境，並讓元件在本質上具備無限耐久性。

「目前的技術限制讓MRAM只能作為嵌入式快閃記憶體的替代品，因為遭遇保存性、速度和耐久性無法兼得的三難困境；」Nozières表示，克服該限制之後，開啟了讓MRAM替換各種替換現有記憶體的可能性，包含前一代MRAM無法著墨的高速應用快閃記憶體與SRAM等。

Nozières指出，SOT-MRAM的另一個固有優勢是免除了資料保存時的漏電流問題，也不會受到電離輻射對資料的干擾；兩者都是SRAM會有的嚴重問題。由於寫入速度非常高，SOT-MRAM寫入時的耗能也可望比STT-MRAM低許多；「這是系統效能上的一個大躍進。」

SOT與現今的STT MRAM相同，以自旋轉移效應為基礎，但不需要磁性層讓電流自旋極化。自旋源自於SOT層材料晶格的自旋軌道互動。

(圖片來源：Antaios)

SOT-MRAM的早期應用之一包括CPU的末階快取記憶體(last-level-cache，L3快取)，無論是作為傳統嵌入式架構的一部分，或是以一種晶粒疊晶粒(die-on-die)的3D組裝技術堆疊不同製程晶圓的方式，為高階CPU提供非常大的快取記憶體。Nozières表示，這兩種都和開發中的SOT-MRAM製程完全相容。

SOT-MRAM另一個前景看好的用途，是邊緣裝置中的人工智慧(AI)；這類裝置大多採用馮紐曼(von Neumann)架構，使用大量的晶片外(off-chip)記憶體。而晶片內(on-chip)的SOT-MRAM可以像快閃記憶體/工作記憶體一樣運作，其速度和耐久性是關鍵，同時功率也必須要低。

微控制器架構也可以從SOT-MRAM受益。目前獨立快閃記憶體的「控制儲存」(control store)功能區塊和SRAM區塊架構，類似於在書架上不斷地重新排列書籍以容納新書。Nozières表示：「不停交換書架上的書要花很多時間和能量，而那正是微控制器內部運作的方式。」

由於SOT-MRAM可以同時實現類似於嵌入式快閃記憶體的資料保存能力，而且主記憶體的讀寫週期時間在10ns以內，因此它可以使用單個「就地執行」(execute-in-place，XIP；或譯「晶片內執行)區塊，進而在功率、性能以及成本上有顯著改善。

Nozières指出，SOT-MRAM仍有很長的路要走，Antaios的策略是不一手包辦所有事情，而是建立夥伴關係，包括產品製造。

2020年，Antaios獲得了由法國創投公司Innovacom和Sofimac Innovation，以及位於美國矽谷的應材(Applied Materials)旗下創投部門Applied Ventures的資金。Nozières表示，該公司正積極尋求利用MRAM周遭生態系統，並以停業的Spin Memory為借鏡；後者就是因為想要什麼都自己做，包括製造，而燒光了大筆現金。

現今的STT MRAM技術與SOT與類似，是以自旋轉移效應為基礎，但不需要磁性層來讓電流自旋極化。自旋源自於SOT層材料晶格的自旋軌道互動。Nozières表示，這讓那些已經在生產MRAM的主要晶圓代工業者可以直接將SOT做為現有MRAM技術的延展，不需要再向市場宣傳得花費數億美元導入新工具和原料。

他將STT-MRAM和SOT-MRAM比喻為培根生菜番茄(BLT)三明治，只是組合成分的順序不同而已。不過儘管這個比喻聽起來很簡單，SOT-MRAM仍處於起步階段，預計要到2024年才能真正進軍商業化應用。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年11月號

責編：Judith Cheng

(參考原文：Spin-Orbit-Torque Tackles MRAM Constraints，By Gary Hilson）

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