磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （MRAM） 是一種非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，它依賴(lài)于兩個(gè)鐵磁層的（相對(duì)）磁化狀態(tài)來(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息。多年來(lái)，出現(xiàn)了不同風(fēng)格的 MRAM 存儲(chǔ)器，使 MRAM 對(duì)緩存應(yīng)用程序和內(nèi)存計(jì)算越來(lái)越有吸引力。

　　在本文中，我們討論了各種 MRAM 家族成員（包括自旋轉(zhuǎn)移扭矩 （spin-transfer torque ：STT）、自旋軌道扭矩 （spin-orbit torque：SOT）、電壓控制（VCMA-和 VG-SOT）和domain-wall MRAM的挑戰(zhàn)和前景。

　　不斷變化的存儲(chǔ)展望

　　內(nèi)存是電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件之一，它可以滿(mǎn)足多種需求——從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到緩存、緩沖，以及最近的（內(nèi)存中）計(jì)算。幾十年來(lái)，內(nèi)存格局一直沒(méi)有改變，從緩存到存儲(chǔ)都有清晰的層次結(jié)構(gòu)。靠近中央處理器 （CPU） 的快速、易失的嵌入式靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （SRAM） 是主要存儲(chǔ)器。芯片上還有更高的高速緩存存儲(chǔ)器，主要由 SRAM 或嵌入式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （DRAM） 技術(shù)制成。

　　在離 CPU 較遠(yuǎn)的片外，您將主要發(fā)現(xiàn)用于工作存儲(chǔ)器的 DRAM 芯片、用于存儲(chǔ)的非易失性 NAND 閃存芯片以及用于長(zhǎng)期存檔應(yīng)用的磁帶。一般來(lái)說(shuō)，距離 CPU 越遠(yuǎn)的內(nèi)存越便宜、速度越慢、密度越大且易失性越低。

　　盡管內(nèi)存密度有了很大的提高，但所有這些內(nèi)存都在努力跟上邏輯芯片不斷提高的性能和巨大的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)率。這推動(dòng)了對(duì)獨(dú)立和嵌入式應(yīng)用的替代內(nèi)存技術(shù)的探索。新興選擇范圍從緩存級(jí)應(yīng)用的新技術(shù)、改進(jìn) DRAM 設(shè)備的新方法、填補(bǔ) DRAM 和 NAND 技術(shù)之間差距的新興存儲(chǔ)級(jí)存儲(chǔ)器、改進(jìn) 3D-NAND 存儲(chǔ)設(shè)備和存檔類(lèi)型應(yīng)用的解決方案。這些新興存儲(chǔ)器之一是磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （MRAM）。

　　MRAM 研究的早期：從實(shí)驗(yàn)室到太空

　　DRAM 和 NAND 閃存等傳統(tǒng)存儲(chǔ)器利用電荷來(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)（0 或 1），而 MRAM 則利用鐵磁層的集體磁化狀態(tài)。其核心元件是磁性隧道結(jié) （magnetic tunnel junction ：

　　MTJ），其中薄介電層夾在磁性固定層和磁性自由層之間。存儲(chǔ)單元的寫(xiě)入是通過(guò)切換自由鐵磁層（MRAM 位單元的“存儲(chǔ)”層）的磁化來(lái)執(zhí)行的。讀取時(shí)，MTJ 的磁阻是通過(guò)使電流通過(guò)結(jié)來(lái)測(cè)量的。該隧道磁阻 （ tunnel magnetoresistance：TMR） 可以高或低，這取決于自由層和固定層的磁化的相對(duì)方向（即平行或反平行，因此為 1 或 0）。

　　圖 1：MRAM TMR 讀操作的原理。

　　MRAM 肯定不是一項(xiàng)新技術(shù)：它的發(fā)展可以追溯到幾十年前。第一個(gè)MRAM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)（例如切換模式 MRAM）依賴(lài)于磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)切換，其中應(yīng)用外部磁場(chǎng)來(lái)切換和寫(xiě)入存儲(chǔ)位單元。該場(chǎng)是通過(guò)使電流通過(guò)銅線(xiàn)而產(chǎn)生的。這是一項(xiàng)很好的工程，但磁場(chǎng)感應(yīng)開(kāi)關(guān)無(wú)法向更小的尺寸擴(kuò)展——因?yàn)閷?shí)現(xiàn)所需磁場(chǎng)所需的電流隨著電流線(xiàn)尺寸的減小而增加。該技術(shù)永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高密度 MRAM 應(yīng)用，因此僅限于一些小眾應(yīng)用，例如太空——仍在使用。在空間應(yīng)用中，可以充分發(fā)揮磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)：

　　多年來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)提出了編寫(xiě)該技術(shù)的新方法——包括熱輔助開(kāi)關(guān)（thermally assisted switching）——但到目前為止還沒(méi)有取得任何巨大的商業(yè)成功。

　　MRAM的利基市場(chǎng)

　　大約 20 年前，隨著自旋轉(zhuǎn)移矩 MRAM （STT-MRAM） 的發(fā)明，MRAM 邁出了商業(yè)化的重要一步。除了經(jīng)典的 MRAM，STT-MRAM 使用電流來(lái)誘導(dǎo)自由磁性層的切換。通過(guò)使電流通過(guò)固定磁性層，人們可以產(chǎn)生自旋極化電流——其中有更多的電子向上或向下旋轉(zhuǎn)。如果此自旋極化電流被引導(dǎo)到自由鐵磁層，角動(dòng)量可以轉(zhuǎn)移到該層（“自旋轉(zhuǎn)移扭矩”），從而改變其磁取向。

　　第二個(gè)突破來(lái)自材料方面，當(dāng)鐵磁 CoFeB 被引入作為固定和自由磁性層的材料，以及用于介電勢(shì)壘的 MgO 時(shí)。使用這些材料提高了器件效率，主要是在更高的隧道磁阻方面。經(jīng)過(guò)多年的研究，第一批基于 STT-MRAM 的產(chǎn)品于 2015 年左右上市，首先作為 DRAM 和固態(tài)驅(qū)動(dòng)器 （SSD） 的非易失性緩沖器，后來(lái)作為嵌入式閃存的替代品。從那時(shí)起，主要代工廠和工具供應(yīng)商一直在（嵌入式）STT-MRAM 中投入大量研發(fā)資源。

　　STT-MRAM 取代 SRAM 緩存？

　　緩存存儲(chǔ)器通常是一種非常小的存儲(chǔ)器，靠近處理器以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)。這種類(lèi)型的內(nèi)存通常組織為不同緩存級(jí)別的層次結(jié)構(gòu)。高速緩沖存儲(chǔ)器的角色通常由高速、易失性 SRAM 扮演。多年來(lái)，SRAM 位單元（通常由 6 個(gè)晶體管組成）已經(jīng)縮小規(guī)模以增加內(nèi)存密度，從而增加緩存的容量。但在 10nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下，由于內(nèi)存不活動(dòng)（泄漏）時(shí)功耗增加以及可靠性問(wèn)題，SRAM 縮放變得非常具有挑戰(zhàn)性。

　　在多年的 MRAM 研究中，STT-MRAM 已被提出作為緩存 SRAM 的有前途的替代品——這一演變將使 STT-MRAM 突破利基市場(chǎng)。它本質(zhì)上是非易失性的，這意味著即使在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)它也會(huì)保留數(shù)據(jù)。這有效地解決了 SRAM 存儲(chǔ)器在不活動(dòng)時(shí)“泄漏”能量的問(wèn)題。從尺寸上看，STT-MRAM 存儲(chǔ)單元也比 SRAM 單元小得多。

　　在 2018 年 IEEE IEDM 會(huì)議上，imec 展示了在 5nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)引入 STT-MRAM 作為最后一級(jí) （L3） 緩存存儲(chǔ)器的可行性。基于設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化和硅驗(yàn)證模型的分析表明，STT-MRAM 可以滿(mǎn)足高性能計(jì)算領(lǐng)域?qū)ψ詈笠患?jí)緩存的性能要求。此外，STT-MRAM 單元僅占據(jù) SRAM 宏的 43.3% 的面積，并且與高密度存儲(chǔ)單元的 SRAM 相比，STT-MRAM 的能效更高。

　　圖 2：不同尺寸的 SRAM 和 STT-MRAM 之間的能量比較

　　不幸的是，該技術(shù)被證明不足以將操作擴(kuò)展到更快、更低級(jí)別的緩存 （L1/L2）。首先，與SRAM相比，寫(xiě)入過(guò)程仍然相對(duì)低效且耗時(shí)，對(duì)切換速度（不快于5ns）構(gòu)成了固有限制。其次，速度增益將需要增加流過(guò) MTJ 的電流，從而流過(guò)薄的電介質(zhì)屏障。這會(huì)施加嚴(yán)重的壓力并導(dǎo)致設(shè)備的耐用性降低。這些可靠性問(wèn)題與快速切換速度下增加的能量相結(jié)合，使得 STT-MRAM 存儲(chǔ)器不適合 L1/L2 緩存操作——這需要亞納秒的切換速度。

　　因此，半導(dǎo)體行業(yè)一直在尋找解決這些問(wèn)題的方法，從而產(chǎn)生了新的 MRAM 風(fēng)格。它們都依賴(lài)于讀取位單元的相同機(jī)制（即，通過(guò)測(cè)量 TMR），但在寫(xiě)入存儲(chǔ)單元的方式上有所不同。根據(jù)寫(xiě)入機(jī)制，這些新風(fēng)格（下文討論）至少在以下指標(biāo)之一方面表現(xiàn)更好：可靠性、速度、功耗和/或面積消耗。

　　除了在架構(gòu)和材料方面探索創(chuàng)新之外，imec 等研究機(jī)構(gòu)還通過(guò)開(kāi)發(fā)與 CMOS 兼容的基于 300mm 的集成制程，使這些 MRAM 風(fēng)味的制造變得友好。該團(tuán)隊(duì)的重點(diǎn)是具有垂直磁化的 MRAM 類(lèi)型的設(shè)備，因?yàn)榕c平面內(nèi)磁化技術(shù)相比，它具有更好的縮放潛力。

　　SOT-MRAM：可靠、快速、節(jié)能，但體積大

　　從架構(gòu)的角度來(lái)看，STT 和自旋軌道扭矩 （SOT）-MRAM 器件之間的主要區(qū)別在于電流注入幾何形狀。在 STT-MRAM 器件中，寫(xiě)入存儲(chǔ)器所需的電流垂直注入 MTJ。對(duì)于 SOT-MRAM，電流注入是在平面內(nèi)、在相鄰的 SOT 層（通常是重金屬）中進(jìn)行的。在物理學(xué)方面，現(xiàn)在切換自由層依賴(lài)于軌道角動(dòng)量從重金屬電子到磁性存儲(chǔ)層的轉(zhuǎn)移——霍爾效應(yīng)和 Rashba 相互作用進(jìn)一步輔助。由于電流注入幾何結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在讀寫(xiě)路徑分離，顯著提高了器件的耐用性和讀取穩(wěn)定性。它還消除了 STT-MRAM 設(shè)備中固有的開(kāi)關(guān)延遲。

　　雖然 SOT-MRAM 器件的操作已在實(shí)驗(yàn)室中得到驗(yàn)證，但 imec 是第一個(gè)在 2018 年使用 CMOS 兼容工藝在 300mm 晶圓上全面集成 SOT-MRAM 器件模塊的公司。這也使團(tuán)隊(duì)能夠比較 SOT 和 STT 開(kāi)關(guān)行為，這些器件是在相同的 300 毫米晶圓上制造的。雖然 STT-MRAM 操作期間的開(kāi)關(guān)速度被限制為 5ns，但在 SOT-MRAM 操作期間證明了低至 210ps 的可靠開(kāi)關(guān)。

　　SOT-MRAM 器件表現(xiàn)出出色的耐久性（>5×10 10）和低至 300pJ 的運(yùn)行功率。在這些器件中，磁性隧道結(jié)由 SOT/CoFeB/MgO/CoFeB/SAF 垂直磁化堆疊組成，使用 β 相鎢 （W） 作為 SOT 層。

　　在 VLSI 2019 上，該團(tuán)隊(duì)提出了一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新，可以進(jìn)一步提高 SOT-MRAM 器件的可制造性：無(wú)場(chǎng)開(kāi)關(guān)操作，以消除寫(xiě)操作期間對(duì)外部磁場(chǎng)的需求 。需要磁場(chǎng)來(lái)打破對(duì)稱(chēng)性并確保確定性的磁化切換。到目前為止，這個(gè)領(lǐng)域是由外部引起的，這對(duì) SOT-MRAM 器件的實(shí)際應(yīng)用構(gòu)成了主要障礙。Imec 的解決方案包括在用于塑造 SOT 層的硬掩模中嵌入鐵磁體。使用這種鐵磁體，在磁性隧道結(jié)的自由層上會(huì)感應(yīng)出一個(gè)小的均勻面內(nèi)場(chǎng)。該方法被證明是可靠的，同時(shí)保留了 SOT-MRAM 設(shè)備的 sub-ns 寫(xiě)入。

　　圖 3：具有 Co 磁性硬掩模的 SOT 無(wú)場(chǎng)切換 MTJ 的橫向 TEM 橫截面視圖

　　可制造性的另一個(gè)問(wèn)題與熱預(yù)算有關(guān)：用于處理磁性層的熱預(yù)算必須與整個(gè)制造流程兼容。在 VLSI 2021 上，imec 展示了一種后端 （BEOL） 兼容 SOT 器件，該器件采用新的自由層設(shè)計(jì)，可提供更大的靈活性來(lái)增加內(nèi)存的保留時(shí)間 。

　　盡管這些結(jié)果為解決最低緩存級(jí)別中的 SRAM 替換問(wèn)題開(kāi)辟了道路，但 SOT-MRAM 仍然存在一個(gè)主要缺點(diǎn)：面積消耗。雖然具有柱狀結(jié)構(gòu)的 STT-MRAM 是一種兩端器件，但 SOT-MRAM 是一種三端器件——將兩個(gè)晶體管合并到一個(gè)單元中和一個(gè)相對(duì)較大的選擇器晶體管（以適應(yīng)寫(xiě)入所需的相對(duì)較大的電流）裝置）。因此，需要在密度縮放方面進(jìn)行創(chuàng)新，使其成為低級(jí)緩存應(yīng)用中 SRAM 的真正競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

　　VCMA-MRAM：超低功耗冠軍

　　電壓控制 MRAM 操作已被探索作為進(jìn)一步降低 STT-MRAM 功耗的一種方式。雖然寫(xiě)入 STT-MRAM 存儲(chǔ)單元是通過(guò)電流執(zhí)行的，但壓控磁各向異性 （VCMA）-MRAM 使用電場(chǎng)（因此，電壓）進(jìn)行寫(xiě)入操作——這大大降低了能耗。將自由層從平行 （P） 狀態(tài)切換到反平行狀態(tài) （AP）（反之亦然）需要兩個(gè)基本組件：一個(gè)電場(chǎng)（穿過(guò)隧道勢(shì)壘）以消除能量勢(shì)壘，以及一個(gè)外部平面內(nèi)用于實(shí)際 VCMA 切換的磁場(chǎng)。

　　盡管在功耗方面很有希望，但這種 MRAM 的特點(diǎn)是寫(xiě)入速度相對(duì)較慢。慢寫(xiě)操作與 VCMA-MRAM 器件的單極性質(zhì)有關(guān)：從并行轉(zhuǎn)換到反并行 （P-AP） 狀態(tài)以及從反并行切換到并行需要相同極性的寫(xiě)脈沖（ AP-P） 狀態(tài)。因此，存儲(chǔ)單元需要在寫(xiě)入之前進(jìn)行“預(yù)讀取”以了解其狀態(tài)——這一序列會(huì)顯著減慢寫(xiě)入操作的速度。

　　2020 年，imec 引入了獨(dú)特的確定性 VCMA 寫(xiě)入概念，避免了預(yù)讀的需要：通過(guò)在能壘中創(chuàng)建偏移，為 A-AP 和 AP-P 轉(zhuǎn)換引入了不同的閾值電壓。該偏移是通過(guò)在 VCMA 堆棧設(shè)計(jì)中實(shí)施?。ɡ?5mT）偏移磁場(chǎng) （B z,eff ） 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　圖 4：（a） 具有 Bz,eff 的能量圖，用于建議的確定性寫(xiě)入，其中 AP 狀態(tài)比 P 狀態(tài)更穩(wěn)定；（b） 保留 （Δ） 作為 Bz,eff 的函數(shù)。

　　作為第二個(gè)改進(jìn)，imec 在磁性隧道結(jié)的頂部嵌入了磁性硬掩模。這消除了在 VCMA 切換期間對(duì)外部磁場(chǎng)的需要，提高了器件的可制造性，而不會(huì)降低其性能。

　　由此產(chǎn)生的設(shè)備是使用 imec 的 300 毫米最先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施制造的，證明了它們與 CMOS 技術(shù)的兼容性?？煽康?1.1GHz（或 ns 級(jí)速度）無(wú)外部磁場(chǎng) VCMA 切換僅用 20fJ 寫(xiě)入能量進(jìn)行了演示。實(shí)現(xiàn)了 246% 的高隧道磁阻和超過(guò) 10 10的耐久性。這些改進(jìn)使 VCMA-MRAM 性能超越 STT-MRAM 操作，使這些器件成為高性能、超低功耗和高密度存儲(chǔ)器應(yīng)用的理想選擇。

　　剩下的主要挑戰(zhàn)之一與增加 VCMA 效應(yīng)的幅度有關(guān)。使用當(dāng)前材料集，只能切換低保留（數(shù)天到數(shù)周）的自由層。切換高保留自由層需要更高的 VCMA 效應(yīng)，這仍然需要材料突破。該領(lǐng)域在 imec 已建立的 300mm VCMA-MRAM 平臺(tái)上得到了積極探索。

　　VG-SOT 承諾擁有這一切

　　最近，提出了一種新的寫(xiě)入方案，它結(jié)合了 VCMA 和 SOT 效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)：電壓門(mén)輔助自旋軌道扭矩 MRAM 器件（VG-SOT MRAM）。在這樣的器件中，SOT 效應(yīng)再次負(fù)責(zé)切換自由層。但是 VCMA 頂門(mén)現(xiàn)在輔助其操作，充當(dāng) MTJ 選擇器。通過(guò)施加電壓來(lái)執(zhí)行選擇，隨后改變自由層的穩(wěn)定性，從而改變其保留。有了這個(gè)概念，人們現(xiàn)在可以想到一種多柱單元結(jié)構(gòu)（在公共 SOT 線(xiàn)上具有多個(gè) MTJ 柱），其中一個(gè) VCMA 頂柵選擇要寫(xiě)入的一個(gè)。這個(gè)概念有望解決傳統(tǒng) SOT 技術(shù)的密度限制，這需要每個(gè)位單元有一個(gè)大的選擇器。

　　此外，就像傳統(tǒng)的 SOT 一樣，VG-SOT 能夠在亞納秒范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速切換。因此，VG-SOT 具有在任何類(lèi)型的緩存中發(fā)揮作用的所有功能——有望實(shí)現(xiàn)真正的統(tǒng)一緩存。

　　但實(shí)現(xiàn)工業(yè)采用的道路是漫長(zhǎng)的。該設(shè)備制造起來(lái)很復(fù)雜，其在多柱結(jié)構(gòu)中的全部功能仍有待證明。Imec 正在逐步實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。使用垂直 MTJ 構(gòu)建塊，單個(gè) 3 端子器件上的 VG-SOT 概念已經(jīng)可以在 300 毫米晶圓上成功演示。Imec 現(xiàn)在正致力于證明采用 CMOS 兼容工藝步驟制造的多柱器件結(jié)構(gòu)的全部功能。

　　VG-SOT 器件概念與其獨(dú)立對(duì)應(yīng)物相比，降低了 SOT 和 VCMA 效率的材料特性要求。盡管如此，創(chuàng)新需要來(lái)自材料方面，以使設(shè)備更高效。

　　現(xiàn)在，業(yè)界正在為 SOT 層探索具有更高自旋軌道轉(zhuǎn)移效應(yīng)的新材料，旨在降低能耗。此外，正在尋找具有更大 VCMA 系數(shù)的材料。該系數(shù)決定了施加電壓時(shí)保持力的變化程度。此外，為了進(jìn)一步提高 TMR 讀數(shù)，對(duì) MTJ 堆棧中 MgO 替代品的基礎(chǔ)研究是高度相關(guān)的。

　　圖5：?jiǎn)沃投嘀鵙G-SOT運(yùn)行原理

　?。╒G-）SOT MRAM 在模擬內(nèi)存計(jì)算方面的潛力

　　VCMA 輔助多支柱 SOT-MRAM 也被認(rèn)為是為模擬內(nèi)存計(jì)算實(shí)現(xiàn)多級(jí)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的有趣候選者。

　　深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)子集，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含一系列對(duì)輸入數(shù)據(jù)應(yīng)用變換的隱藏層。正是在這些隱藏層的節(jié)點(diǎn)內(nèi)應(yīng)用了權(quán)重，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的可學(xué)習(xí)參數(shù)會(huì)轉(zhuǎn)換輸入數(shù)據(jù)。模擬內(nèi)存計(jì)算是實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的一種很有前途的架構(gòu)解決方案。為此，業(yè)界正在探索不同類(lèi)型的存儲(chǔ)器，包括具有大電阻值的低功耗、非易失性電阻式存儲(chǔ)器。

　　SOT-MRAM 承諾滿(mǎn)足這些要求。由于單獨(dú)的寫(xiě)入和讀取路徑，可以在不影響寫(xiě)入路徑的情況下增加 MTJ 堆棧的電阻。這樣，可以獲得非常大的電阻——因此，通過(guò)隧道結(jié)的電流非常低。當(dāng)使用多柱 SOT-MRAM 結(jié)構(gòu)時(shí)，現(xiàn)在可以總結(jié)來(lái)自不同 MTJ 柱的電流（實(shí)際內(nèi)存計(jì)算）。該總電流產(chǎn)生用作輸入信號(hào)權(quán)重的模擬信號(hào)。由于來(lái)自不同 SOT-MRAM 單元的單個(gè)電流足夠低，最終的累加電流仍然可行。

　　在 VLSI 2021 上，imec 首次展示使用多柱 SOT-MRAM（具有選擇性 VCMA 輔助寫(xiě)入）來(lái)實(shí)現(xiàn)多級(jí)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的可行性。在實(shí)驗(yàn)中，在一個(gè) SOT 軌道上具有四個(gè)支柱的設(shè)備已被用于實(shí)現(xiàn)九個(gè)級(jí)別的權(quán)重。

　　展望：domain-wall設(shè)備

　　從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，imec 探索了其他更奇特的 MRAM 設(shè)備實(shí)現(xiàn)，這些設(shè)備承諾更高密度的 MRAM 位單元：domain-wall設(shè)備。在這些設(shè)備中，輸入信息在magnetic domain walls,中編碼，magnetic domain walls將具有不同磁化強(qiáng)度的區(qū)域分開(kāi)。該器件是通過(guò)使用magnetic domain walls沿磁道的運(yùn)動(dòng)來(lái)操作的。這種運(yùn)動(dòng)可以由自旋軌道扭矩控制。在這樣的構(gòu)造中，并非每個(gè)位單元都需要讀出傳感器，因?yàn)閙agnetic domain walls本身可以連接到讀出單元——這些單元僅安裝在幾個(gè)選定的位置。因此，可以實(shí)現(xiàn)有限數(shù)量的讀出，從而允許顯著增加存儲(chǔ)器的密度。

　　到目前為止，由于 缺乏在納米尺度上讀寫(xiě)它們的電氣手段，因此無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明完整功能的magnetic domain walls器件。Imec 可以首次展示完整運(yùn)行的納米級(jí)magnetic domain walls設(shè)備（在 300 毫米晶圓上制造），使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的垂直 MTJ 進(jìn)行電讀寫(xiě)。這項(xiàng)研究的結(jié)果最近在 Nature Electronics 中有所描述。

　　除了高內(nèi)存密度之外，使用domain walls設(shè)備進(jìn)行內(nèi)存應(yīng)用還有第二個(gè)優(yōu)勢(shì)。自旋力矩多數(shù)門(mén)形式的domain walls器件也被認(rèn)為是高性能邏輯應(yīng)用的進(jìn)一步選擇。但隨后您需要一個(gè)平臺(tái)，讓邏輯和內(nèi)存可以緊密結(jié)合在一起。domain walls存儲(chǔ)器可以在那里發(fā)揮重要作用，因?yàn)槟梢詽撛诘貙⑦壿嫼痛鎯?chǔ)器連接到相同的磁道上。

　　結(jié)論

　　多年來(lái)，出現(xiàn)了不同風(fēng)格的 MRAM 存儲(chǔ)設(shè)備，在寫(xiě)入速度、可靠性、功耗和面積消耗之間進(jìn)行權(quán)衡。根據(jù)它們的具體特性，它們針對(duì)不同的應(yīng)用，例如，用于嵌入式閃存和末級(jí)緩存的 STT-MRAM，用于較低級(jí)緩存存儲(chǔ)器的 SOT-MRAM，用于超低功耗應(yīng)用的 VCMA-MRAM，以及最后的 VG- SOT MRAM 作為終極統(tǒng)一緩存存儲(chǔ)器，也具有用于內(nèi)存計(jì)算的有趣特性。