MRAM（Magnetoresistance Random Access Memory）是利用以奈米級磁性結(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(jié)(Magnetic Tunneling Junction) 較大的穿隧磁電阻（TMR）技術(shù)日漸成熟,，研究人員對于MRAM的期待愈來愈大。
MRAM結(jié)構(gòu)圖
與其他存儲技術(shù)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(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(jié)構(gòu)中存在巨磁阻效應(Giant Magnetoresistive Effect),，為現(xiàn)代的MRAM發(fā)展奠定基礎(chǔ)。1996年,，IBM科學家 John Slonczewski 發(fā)明了 the ST-MRAM 并且在學術(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(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,，總共衍生出兩代主要的MRAM器件類型：第一代是磁場驅(qū)動型MRAM，即通過電流產(chǎn)生的磁場驅(qū)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(qū)動型自旋轉(zhuǎn)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(shù),，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(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(lǐng)先的存儲技術(shù),。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(shù)和工藝發(fā)展,，在技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)。隨著存儲單元的尺寸減小,，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(lǐng)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(guān)鍵型任務(wù)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(shù),。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(shù)的持久穩(wěn)定性,，都將有助于提升機器學習的整體效能。