MRAM（Magnetoresistance Random Access Memory）是利用以奈米級磁性結構特有的自旋相關傳輸為基礎的磁電阻效應所得到的一種新穎的非揮發(fā)性固態(tài)磁存儲器。隨著自旋隧道結(Magnetic Tunneling Junction) 較大的穿隧磁電阻（TMR）技術日漸成熟，研究人員對于MRAM的期待愈來愈大。
MRAM結構圖
與其他存儲技術相比，MRAM在速度、面積、寫入次數(shù)和功耗方面能夠達到較好的折中，因此被業(yè)界認為是構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)，雖然結構不同，但資料讀寫的機制基本上與現(xiàn)在的磁性記憶體是一樣的。
1988年時，歐洲科學家Albert Fert與Peter Grunberg發(fā)現(xiàn)了薄膜結構中存在巨磁阻效應(Giant Magnetoresistive Effect)，為現(xiàn)代的MRAM發(fā)展奠定基礎。1996年，IBM科學家 John Slonczewski 發(fā)明了 the ST-MRAM 并且在學術雜志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)展到當下，市場上則形成了Everspin這樣的獨立MRAM供應商和GlobalFoundries 、臺積電、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器
MRAM性能的提升，得益于磁隧道結（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，總共衍生出兩代主要的MRAM器件類型：第一代是磁場驅動型MRAM，即通過電流產(chǎn)生的磁場驅動存儲單元的磁矩進行寫入操作，典型代表有星型MRAM（astroid-MRAM）和嵌套型MRAM（toggle-MRAM）；第二代是電流驅動型自旋轉移矩MRAM（Spin Transfer Torque MRAM，STT-MRAM），即通過極化電流對存儲單元進行寫入操作。
STT-MRAM的MJT細胞
STT-MRAM的存儲單元也是MTJ+一個晶體管。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。
MRAM不是只存在實驗室，Everspin公司第一代產(chǎn)品已經(jīng)實現(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計劃下一步應用GlobalFoundries 22nm FD-SOI工藝，進一步提升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，三星在 28nm FDSOI 平臺上描述了 STT-MRAM，英特爾在其 22 FFL 工藝中描述了 STT-MRAM非易失性存儲器的關鍵特性，稱其為“首款基于 FinFET 的 MRAM 技術”。
Everspin的STT-MRAM產(chǎn)品
MRAM發(fā)展難題與機遇
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并降低成本?；谝陨蟽?yōu)勢，STT-MRAM被視為是可以挑戰(zhàn)DRAM和SRAM的高性能存儲器，并有可能成為領先的存儲技術。尤其是在40nm以下工藝節(jié)點上，NOR開始暴露出很多問題，STT-MRAM被寄予厚望。市場認為，STT-MRAM不僅在40nm節(jié)點下可以被利用，甚至可以擴展到10nm以下應用。更值得注意的是，STT-MRAM可基于現(xiàn)有的CMOS制造技術和工藝發(fā)展，在技術上進行接力的難度相對較小，從而，可以直接挑戰(zhàn)閃存的低成本。
理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。隨著技術規(guī)模的縮小，STT-MRAM遭受嚴重的工藝變化和熱波動，這極大地降低了STT-MRAM的性能和穩(wěn)定性。對于大多數(shù)商業(yè)應用來說，STT-MRAM的道路依舊充滿艱難險阻。
從結構上看，STT-MRAM存儲單元的核心是一個MTJ，也就是STT-MRAM是通過MTJ來存儲數(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納米厚的非磁性隔離層組成，它是是通過自旋電流實現(xiàn)信息寫入的。寫入信息時需要較大的電流產(chǎn)生磁場使?MTJ?自由層磁矩發(fā)生反轉。隨著存儲單元的尺寸減小，需要更大的自由層磁矩反轉磁場，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，并瞄準兩大應用領域，分別是嵌入式存儲器和獨立存儲器。目前有些廠商專注于發(fā)展嵌入式MRAM。舉個例子來說明其重要性，通常微控 制 器（MCU）會在同一芯片上整合多種元件，例如運算單元、SRAM和嵌入式快閃存儲器。而這種嵌入式快閃存儲器具備NOR的非揮發(fā)特性，這種NOR快閃存儲器通常都用來作為程式代碼的儲存用途。
目前業(yè)界已推出采用嵌入式NOR快閃存儲器的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。然而有些專家認為要在28nm以下制程范圍來擴展嵌入式NOR快閃存儲器有其困難，許多人認為28nm或22nm將成為這種快閃存儲器的極限，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快閃存儲器。除了這個優(yōu)點之外，STT-MRAM還可以替代或增強MCU、微處理器或SoC系統(tǒng)中的SRAM。
目前MRAM有三個主要的應用市場，一個是用來作為嵌入式存儲器，MRAM的特性非常適合用來作為嵌入式存儲器，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)暫存存儲器、加速NAND快閃存儲器，或者作為SRAM應用的替代品。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)客戶的關鍵型任務應用程序，其中可針對包括功率損耗和檔案遺失等問題加以解決，因為這些問題一旦發(fā)生都可能嚴重影響客戶端的使用狀況。
而MRAM和其他的下一代存儲器，也都被視為是適合用于機器學習的儲存技術。在今天，機器學習系統(tǒng)多半使用的是傳統(tǒng)的存儲器，這對于功率的消耗非常嚴重。根據(jù)研究指出，機器學習過程，很大一部分的功率是消耗在簡單的數(shù)據(jù)移動過程中，而不是實際的運算功能。針對機器學習的過程，任何性能的提升，都有助于改善機器學習的能力。因此，與現(xiàn)有的DRAM產(chǎn)品相較之下，任何功耗的降低，和技術的持久穩(wěn)定性，都將有助于提升機器學習的整體效能。