MRAM（Magnetoresistance Random Access Memory）是利用以奈米級(jí)磁性結(jié)構(gòu)特有的自旋相關(guān)傳輸為基礎(chǔ)的磁電阻效應(yīng)所得到的一種新穎的非揮發(fā)性固態(tài)磁存儲(chǔ)器。隨著自旋隧道結(jié)(Magnetic Tunneling Junction) 較大的穿隧磁電阻（TMR）技術(shù)日漸成熟，研究人員對(duì)于MRAM的期待愈來愈大。
MRAM結(jié)構(gòu)圖
與其他存儲(chǔ)技術(shù)相比，MRAM在速度、面積、寫入次數(shù)和功耗方面能夠達(dá)到較好的折中，因此被業(yè)界認(rèn)為是構(gòu)建下一代非易失性緩存和主存的潛在存取器件之一。
各類存儲(chǔ)器的性能比較
MRAM的發(fā)展歷程
MRAM最早可以上推到1955年問世的磁芯記憶體(Magnetic Core Memory)，雖然結(jié)構(gòu)不同，但資料讀寫的機(jī)制基本上與現(xiàn)在的磁性記憶體是一樣的。
1988年時(shí)，歐洲科學(xué)家Albert Fert與Peter Grunberg發(fā)現(xiàn)了薄膜結(jié)構(gòu)中存在巨磁阻效應(yīng)(Giant Magnetoresistive Effect)，為現(xiàn)代的MRAM發(fā)展奠定基礎(chǔ)。1996年，IBM科學(xué)家 John Slonczewski 發(fā)明了 the ST-MRAM 并且在學(xué)術(shù)雜志Journal of Magnetism and Magnetic Materials發(fā)表論文 “Current-driven excitation of magnetic multilayers”。
之后摩托羅拉半導(dǎo)體部門、飛思卡爾、IBM、英飛凌、Cypress、瑞薩等業(yè)者，以及目前的DRAM三巨頭三星、SK海力士與美光均曾陸續(xù)投入研發(fā)MRAM的行列。
發(fā)展到當(dāng)下，市場上則形成了Everspin這樣的獨(dú)立MRAM供應(yīng)商和GlobalFoundries 、臺(tái)積電、三星、聯(lián)電等晶圓代工廠商投身嵌入式 MRAM 的格局。
STT-MRAM：最有希望的下一代存儲(chǔ)器
MRAM性能的提升，得益于磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）的隧穿磁阻（Tunnel Magnetoresistance，TMR）值不斷提高。
基于TMR和巨大隧穿磁阻（Giant TRM，TMR＞100%）效應(yīng)，總共衍生出兩代主要的MRAM器件類型：第一代是磁場驅(qū)動(dòng)型MRAM，即通過電流產(chǎn)生的磁場驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)單元的磁矩進(jìn)行寫入操作，典型代表有星型MRAM（astroid-MRAM）和嵌套型MRAM（toggle-MRAM）；第二代是電流驅(qū)動(dòng)型自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM（Spin Transfer Torque MRAM，STT-MRAM），即通過極化電流對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫入操作。
STT-MRAM的MJT細(xì)胞
STT-MRAM的存儲(chǔ)單元也是MTJ+一個(gè)晶體管。不過，MTJ的自旋方向是上下，而不是左右；另外，它寫入方式與Toggle MRAM不同，STT-MRAM使用自旋極化的電流來控制最上層的自旋方向。與Toggle MRAM相比，STT-MRAM具有速度更快、更加節(jié)能、集成度更高的特點(diǎn)。
MRAM不是只存在實(shí)驗(yàn)室，Everspin公司第一代產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，第二代產(chǎn)品也已開始試產(chǎn)。相比于第一代，最新的第二代STT-MRAM用上了GlobalFoundries 28nm制造工藝，封裝于DDR4，支持8-bit或者16-bit界面，傳輸率1333MT/s(667MHz)，容量增大到了1Gb(128MB)，翻了兩翻。Everspin計(jì)劃下一步應(yīng)用GlobalFoundries 22nm FD-SOI工藝，進(jìn)一步提升STT-MRAM的性能和容量。同樣的，英特爾、三星也在積極布局嵌入式MRAM技術(shù)，三星在 28nm FDSOI 平臺(tái)上描述了 STT-MRAM，英特爾在其 22 FFL 工藝中描述了 STT-MRAM非易失性存儲(chǔ)器的關(guān)鍵特性，稱其為“首款基于 FinFET 的 MRAM 技術(shù)”。
Everspin的STT-MRAM產(chǎn)品
MRAM發(fā)展難題與機(jī)遇
與MRAM相比，STT-MRAM器件更快，更高效且更容易縮小。與傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)相比，STT-MRAM器件不僅能兼顧MRAM的性能，還能夠滿足低電流的同時(shí)并降低成本。基于以上優(yōu)勢，STT-MRAM被視為是可以挑戰(zhàn)DRAM和SRAM的高性能存儲(chǔ)器，并有可能成為領(lǐng)先的存儲(chǔ)技術(shù)。尤其是在40nm以下工藝節(jié)點(diǎn)上，NOR開始暴露出很多問題，STT-MRAM被寄予厚望。市場認(rèn)為，STT-MRAM不僅在40nm節(jié)點(diǎn)下可以被利用，甚至可以擴(kuò)展到10nm以下應(yīng)用。更值得注意的是，STT-MRAM可基于現(xiàn)有的CMOS制造技術(shù)和工藝發(fā)展，在技術(shù)上進(jìn)行接力的難度相對(duì)較小，從而，可以直接挑戰(zhàn)閃存的低成本。
理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。隨著技術(shù)規(guī)模的縮小，STT-MRAM遭受嚴(yán)重的工藝變化和熱波動(dòng)，這極大地降低了STT-MRAM的性能和穩(wěn)定性。對(duì)于大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用來說，STT-MRAM的道路依舊充滿艱難險(xiǎn)阻。
從結(jié)構(gòu)上看，STT-MRAM存儲(chǔ)單元的核心是一個(gè)MTJ，也就是STT-MRAM是通過MTJ來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。通常情況下，MTJ是由兩層不同厚度的鐵磁層及一層幾個(gè)納米厚的非磁性隔離層組成，它是是通過自旋電流實(shí)現(xiàn)信息寫入的。寫入信息時(shí)需要較大的電流產(chǎn)生磁場使?MTJ?自由層磁矩發(fā)生反轉(zhuǎn)。隨著存儲(chǔ)單元的尺寸減小，需要更大的自由層磁矩反轉(zhuǎn)磁場，因此也需要更大的電流。但是，大電流不僅增加了功耗，也使得變換速度減慢，限制了存儲(chǔ)單元寫入信息的速度。
盡管如此，STT-MRAM的發(fā)展腳步毫無減緩的跡象，并瞄準(zhǔn)兩大應(yīng)用領(lǐng)域，分別是嵌入式存儲(chǔ)器和獨(dú)立存儲(chǔ)器。目前有些廠商專注于發(fā)展嵌入式MRAM。舉個(gè)例子來說明其重要性，通常微控 制 器（MCU）會(huì)在同一芯片上整合多種元件，例如運(yùn)算單元、SRAM和嵌入式快閃存儲(chǔ)器。而這種嵌入式快閃存儲(chǔ)器具備NOR的非揮發(fā)特性，這種NOR快閃存儲(chǔ)器通常都用來作為程式代碼的儲(chǔ)存用途。
目前業(yè)界已推出采用嵌入式NOR快閃存儲(chǔ)器的28納米MCU產(chǎn)品，至于研發(fā)階段的已有廠商開始采用16nm或14nm的芯片。然而有些專家認(rèn)為要在28nm以下制程范圍來擴(kuò)展嵌入式NOR快閃存儲(chǔ)器有其困難，許多人認(rèn)為28nm或22nm將成為這種快閃存儲(chǔ)器的極限，原因在于過高的成本將限 制其市場接受度。
而這就是嵌入式STT-MRAM適用的地方。它適用于取代28nm或22nm甚至以上的嵌入式NOR快閃存儲(chǔ)器。除了這個(gè)優(yōu)點(diǎn)之外，STT-MRAM還可以替代或增強(qiáng)MCU、微處理器或SoC系統(tǒng)中的SRAM。
目前MRAM有三個(gè)主要的應(yīng)用市場，一個(gè)是用來作為嵌入式存儲(chǔ)器，MRAM的特性非常適合用來作為嵌入式存儲(chǔ)器，特別是在嵌入或整合在MCU中。此外，高密度的MRAM則適用于來作為系統(tǒng)暫存存儲(chǔ)器、加速NAND快閃存儲(chǔ)器，或者作為SRAM應(yīng)用的替代品。在未來，MRAM甚至很可能用來取代DRAM。MRAM很適合用來作為企業(yè)客戶的關(guān)鍵型任務(wù)應(yīng)用程序，其中可針對(duì)包括功率損耗和檔案遺失等問題加以解決，因?yàn)檫@些問題一旦發(fā)生都可能嚴(yán)重影響客戶端的使用狀況。
而MRAM和其他的下一代存儲(chǔ)器，也都被視為是適合用于機(jī)器學(xué)習(xí)的儲(chǔ)存技術(shù)。在今天，機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)多半使用的是傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器，這對(duì)于功率的消耗非常嚴(yán)重。根據(jù)研究指出，機(jī)器學(xué)習(xí)過程，很大一部分的功率是消耗在簡單的數(shù)據(jù)移動(dòng)過程中，而不是實(shí)際的運(yùn)算功能。針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的過程，任何性能的提升，都有助于改善機(jī)器學(xué)習(xí)的能力。因此，與現(xiàn)有的DRAM產(chǎn)品相較之下，任何功耗的降低，和技術(shù)的持久穩(wěn)定性，都將有助于提升機(jī)器學(xué)習(xí)的整體效能。