人工智能 (AI)、5G与智慧物联网(AIoT)等前瞻技术近年加速发展，在其中扮演关键核心角色，如内存、各类控制芯片等半导体产品和相关技术，也顺应趋势大步向前，制程微缩更替产业开辟崭新局面。着眼内存在制程微缩遇瓶颈，台湾工业研究院（下称工研院）日前携手台积电开发自旋轨道扭矩磁性内存 (Spin Orbit Torque Magnetoresistive Random Access Memory, SOT-MRAM) 数组芯片，锁定AI、车用等市场。
MRAM于1990年开始发展，为一种非挥发性内存技术，基本记忆单元称作磁穿隧街面 (Magnetic Tunnel Junction，MTJ)，结构是两层铁磁性薄膜夹着一层绝缘材料。SOT-MRAM为MRAM发展至今的第三代技术，读取电流垂直通过MTJ，写入透过电流经过底电极翻转自由层磁矩，无需通入高电流进入穿隧绝缘体接口，大大延长其使用年限。
谈及工研院本次投入开发，工研院电子与光电系统所所长张世杰表示，目前嵌入式非挥发性内存以闪存(Flash)为主流，但Flash在40nm遇到制程微缩瓶颈，这也使各家半导体厂开始导入电阻式内存(RRAM)和MRAM等次世代非挥发性内存，替28nm以下的制程找到嵌入式非挥性内存解决方案，其中SOT-MRAM，被视为可微缩至22nm以下之先进制程的重要技术。
据台湾经济部技术处的分享，MRAM具有高读写速度、低耗电等特性，也具有能微缩至22nm以下的潜力，特别适用于嵌入式内存的新兴领域，多年前就以科技项目支持工研院开发。张世杰进一步指出，在这次在symposium on VLSI论文发表，证明MRAM其高可靠度与快速写入等特性，不仅如此，还能操作在4k到400k (Kelvin)温度，未来将适合应用在汽车电子、卫星通讯、量子计算机等终端应用市场。
因应MRAM需求高写入效率、低电阻；低损伤的磁性多层膜蚀刻技术，让数组芯片达高良率；工研院及其伙伴，亦对材料和技术强化研发。因此，工研院本次与台积电共同发表的SOT-MRAM技术，拥有0.4奈秒高速写入、7兆次读写高耐受度的特性；据悉，目前在MRAM写入速度的部分，仅有国际几个少数机构可达到1奈秒以下，凸显此技术具备的前瞻性。
展望MRAM的未来规划，张世杰认为，MRAM有媲美SRAM的写入、读取速度，兼具Flash的非挥发性，近年成为半导体先进制程、下世代内存与运算的新星。本次产品虽在写入电流已在领先群，但若要商业化，还要开发更高写入效率的磁性多层膜材料组成，或是新的记忆单元结构、或是新式读写方式，才能更优化，这也将是往后研发的方向。
另，工研院与阳明交通大学，今年也在VLSI共同发表优化的STT-MRAM多层膜与组件。工研院指出，此技术具有提高写入速度、缩短延迟、降低写入电流与增高使用次数等特色，在127度到零下269度范围内，具稳定且高效能的数据存取能力，工作温度横跨近400度的多功能磁性内存更是首次被实验验证，未来在量子计算机、航天领域等前瞻应用潜力佳。
因应5G、大数据、AI人工智能与物联网科技在生活中快速发展，工研院持续在半导体前瞻研发领域，推动各式创新应用发展，并擘划2030技术策略与蓝图，在智慧化致能技术领域携手产业，共同推动产业升级、跨域合作与产业创新应用，以创新科技创造新商机。
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