MRAM，新興的黑馬

1956 年，IBM推出世界上第一個硬碟機——RAMAC 305，可以儲存 5MB 的數據，傳輸速度為 10K/s。雖然這款硬碟體積巨大如同兩台冰箱，重量超過一噸，但是卻標誌著磁盤儲存時代的開始。

此後，隨著科技的進步，記憶體技術逐漸發展。動態隨機存取記憶體（DRAM），具有較快的讀寫速度，能夠滿足電腦系統在執行過程中對數據的快速存取需求。固態硬碟（SSD）以其高速的讀寫效能、低功耗和抗震動等優點，逐漸取代傳統磁盤成為主流儲存裝置之一。

儲存技術仍舊在持續發展，近年來新型儲存技術如雨後春筍般湧現，諸如 相變記憶體（PCM）、阻變記憶體（RRAM）、磁變記憶體（MRAM）、鐵電記憶體（FRAM/Feram） 等。

在介紹MARM前，我們先來簡單了解一下新型的四種儲存技術。

相變記憶體（PCM） 透過相變材料相態的變化獲得不同的電阻值，以實作數據的儲存。英特爾與美光聯合研發的 3D XPoint 技術是其代表，英特爾將其冠名為傲騰（Optane），美光則稱為 QuantX。

磁變記憶體（MRAM） 基於穿隧磁阻效應的技術，具有讀寫次數無限、寫入速度快、功耗低、和邏輯芯片整合度高等特點。美國 Everspin 公司推出的 STT-MRAM是其代表產品。

阻變記憶體（RRAM/ReRAM） 利用阻變材料中導電通道的產生或關閉實作電阻變化。代表公司有美國 Crossbar、松下和昕原半導體等。

鐵電記憶體（FRAM/Feram） 利用鐵電材料的極化特性來儲存數據，具有讀寫速度快、功耗低、非揮發性等優點，在一些對讀寫速度和功耗要求較高的嵌入式系統中有套用。

在儲存技術不斷創新的浪潮中，磁性隨機記憶體（MRAM）作為一種新型儲存技術脫穎而出。 首先，它兼具非揮發性和高速讀寫的特性。 與傳統的非揮發性儲存技術相比，MRAM的讀寫速度可以與記憶體相媲美，而又不像記憶體那樣斷電後數據遺失。這一特點使得MRAM在需要快速啟動和數據持久保存的套用場景中具有巨大的優勢。

其次，它的讀寫速度快。 DRAM 的讀寫速度一般在 50 納秒左右，而 NAND Flash 的讀寫速度通常在幾百微秒到幾毫秒之間。相比之下，MRAM的讀寫速度可以達到 10 納秒以下。甚至，一些先進的MRAM產品的讀取速度能夠達到 2～3 納秒，寫入速度可低至 2.3 納秒。

此外，MRAM具有低功耗的優點。 與傳統的 DRAM 相比，MRAM的功耗可以降低 50%～80%。這是因為 DRAM 需要不斷地進行重新整理操作以保持數據，而MRAM基於磁性材料的儲存機制，不需要頻繁的重新整理操作。

最後，MRAM還具有與邏輯芯片整合度高的特點。 這意味著可以將儲存單元與邏輯電路緊密整合在同一芯片上，從而減小裝置的體積、提高效能並降低成本。這種高度整合的特性為未來電子裝置的小型化、智慧化發展提供了新的可能性。

MRAM的概念最早可以追溯到 20 世紀中葉。當時，科學家們開始探索利用磁性材料來儲存數據的可能性。隨著對磁性材料和電子學的深入研究，MRAM的基本原理逐漸被提出。

早期的設想是透過控制磁性材料的磁化方向來表示二進制數據，即 「0」 和 「1」。這種儲存方式具有非揮發性、高速度和低功耗等潛在優勢，引起了科學界的廣泛關註。

在早期的實驗中，科學家們面臨著許多挑戰。其中一個關鍵問題是如何實作對磁性材料磁化方向的精確控制。由於磁性材料的磁化過程通常是隨機的，因此需要找到一種有效的方法來定向磁化。此外，早期的MRAM實驗還面臨著儲存密度低、讀寫速度慢和可靠性差等問題。

1988年，法國科學家艾爾貝費爾（Albert Fert）和德國科學家彼得綠灣格（Peter Grünberg）獨立發現了巨磁阻效應（Giant Magnetoresistance，GMR）。這一發現引起了科學界的轟動，並為MRAM的發展帶來了重大的推動作用。

GMR 效應是指在磁性材料中，當磁場發生變化時，電阻會發生顯著變化的現象。這一效應使得科學家們能夠更加精確地檢測磁性材料的磁化狀態，從而提高了MRAM的讀寫速度和儲存密度。此外，GMR 效應還為MRAM的制造提供了新的技術途徑，使得MRAM能夠更加容易地與傳統的半導體制造工藝相結合。

在MRAM技術中，GMR 效應主要透過磁性隧道結（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來實作。MTJ 是由兩個磁性層和一個絕緣層組成的三明治結構。當兩個磁性層的磁化方向平行時，電阻較低；當兩個磁性層的磁化方向反平行時，電阻較高。透過檢測 MTJ 的電阻變化，可以實作對磁性材料磁化狀態的讀取。同時，透過施加外部磁場或電流，可以改變磁性層的磁化方向，從而實作對數據的寫入。

此後，在GMR效應的基礎上發展起來的一種新型磁阻效應——穿隧磁阻效應（Tunneling Magnetoresistance，TMR）。與 GMR 效應相比，TMR 效應具有更高的磁阻變化率和更低的功耗。

MgO基磁性隧道結示意圖 來源：物理學報【MgO基磁性隧道結溫度-偏壓相圖的理論研究】

TMR 技術的發展歷程可以追溯到 20 世紀 90 年代。當時，科學家們開始研究如何利用穿隧效應來提高磁阻變化率。經過多年的努力，他們終於在 21 世紀初取得了重大的突破。其中一個關鍵突破是開發出了一種新型的磁性隧道結結構，即 MgO 基磁性隧道結。這種結構具有很高的磁阻變化率和良好的溫度穩定性，為MRAM的商業化套用奠定了基礎。此外，科學家們還開發出了一些新的制造工藝和技術，如自對準工藝和垂直磁化技術，以提高MRAM的效能和可靠性。

隨著 TMR 技術的不斷發展和成熟，第一個商業化的MRAM產品終於在 2006 年誕生。這個產品是由飛思卡爾半導體（Freescale Semiconductor，現為恩智浦半導體 NXP Semiconductors 的一部份）推出的，它采用了 180nm 的 CMOS 工藝制造，具有 4Mb 的儲存容量和 35ns 的讀寫速度。這個產品的誕生標誌著MRAM技術正式進入了商業化階段。

這一時期，MRAM的技術持續改進，例如在儲存容量、讀寫速度、工作溫度範圍等方面不斷提升。Everspin 公司推出了具有 SRAM 速度和快閃記憶體結構的非易失的 Toggle-MRAM，其 16 位 32MB 並列MRAM具有最高 35ns 的寫入周期時間，工作溫度範圍為 -40~125°C，適用於工業和汽車套用。

隨著半導體制造工藝的不斷進步，MRAM開始向更先進的技術節點發展。例如，2017 年，Everspin 公司大批次生產了 256MB DDR3 STT-MRAM，並整合了 40nm CMOS；2019 年，該公司又批次生產了 28nm CMOS 上的 1GB DDR4 STT-MRAM。

半導體行業內的各大廠商、科研機構之間的合作不斷加強，共同推動MRAM技術的發展和商業化套用。例如，三星與意法半導體在 2014 年簽訂 28nm FD-SOI 技術多資源制造全方位合作協定，為MRAM的商業化套用提供了技術支持。

請近年幾款MRAM芯片

現在，MRAM家族包括了自旋轉移扭矩 (spin-transfer torque ：STT)、自旋軌域扭矩 (spin-orbit torque：SOT)、電壓控制（VCMA-和 VG-SOT）和domain-wallMRAM。

MRAM市場趨勢

Yole Development分析稱，到2024年，MRAM的市場規模將增加40倍，制造工藝將減少到16nm，儲存容量則會從1Gbit增加到8Gbit。國際上的半導體巨頭如英特爾、三星、台積電等都在積極投入MRAM的研發。

今年1月，台積電攜手工研院宣布成功研發出自旋軌域轉矩磁性記憶體（SOT-MRAM）陣列芯片，標誌著在下一代MRAM記憶體技術領域的重大突破。這一創新產品不僅采用了先進的運算架構，而且其功耗僅為同類技術STT-MRAM的1%。目前台積電已經成功開發出22奈米、16/12奈米制程的MRAM產品線，並在記憶體、車用市場獲得大量訂單。

2021年，三星電子在頂級學術期刊【Nature】上發表了全球第一個基於MRAM的存內計算研究。透過構建新的MRAM陣列結構，用基於 28nm CMOS 工藝的MRAM陣列芯片執行了手寫數位辨識和人臉檢測等 AI 演算法，準確率分別為98%和93%。

2022年12月，三星電子在著名的微電子學會議IEEE國際電子器件會議（IEDM）上，發表了題為「World-most
energy-efficientMRAMtechnology for non-volatile RAM applications（適用於非揮發性 RAM 套用的業界最強能效MRAM技術）」論文，描述了基於三星28奈米和14奈米邏輯制程節點的nvRAM產品技術。

具體而言，增強型磁隧道結（MTJ）的堆疊工藝技術，顯著降低了寫入錯誤率（WER）。MTJ也從28奈米節點，縮小到14奈米FinEFT工藝，面積縮小了33%。該尺寸芯片規模，允許在同一晶圓上生產更多芯片，從而產生更多裸芯片（net dies）。此外，讀取周期時間加快了2.6倍，16Mb封裝尺寸縮小至業界最小的商用尺寸30mm。該解決方案能在-25℃下提供超1E142次迴圈的近乎無限耐用性。但最重要的成就，是在 54MB/s 頻寬下，主動讀取和寫入功耗分別為 14mW 和 27mW的業內一流能效。

英特爾宣布其MRAM已經準備好大規模量產，采用了成熟的 22nm FFL FinFET 制造工藝，良品率超過了 99.998％。但關於具體投入規模量產的時間以及用於何種產品之上，尚未給出更詳細的說明。

英特爾研究的MRAM每個儲存單元的面積為 0.0486 平方微米、容量7MB，讀取時間0.9V電壓下4納秒、0.8V電壓下8納秒，寫入時間 -40℃下為10微秒，寫入壽命不低於一百萬次，標準耐受溫度範圍-40℃到125℃。

作為較早推出MRAM產品的公司，Everspin不斷推進產品的叠代升級。繼 2012 年釋出第一代 STT-MRAM（自旋轉移矩磁阻記憶體）後，又推出了采用 GlobalFoundries 28nm 制造工藝的第二代 STT-MRAM，並封裝於 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）

Everspin MRAM產品已經滲透到包括電腦記憶體、航空航天、工業自動化、汽車電子、醫療等多個領域。

國內方面，諸多高校如 中科院、清華大學、復旦大學、電子科技大學、北京航空航天大學 等在MRAM相關的基礎研究方面也取得了一定成果。

北京航空航天大學積體電路學院 自旋芯片團隊長期圍繞自旋電子學開展交叉學科研究。2018 年成功研制出基於單原子層鎢的雙界面型MTJ器件，獲得了 249% 的穿隧磁阻率（TMR），這一成果仍保持著MRAM芯片TMR指標的世界最高紀錄。該團隊提出的雙界面型MTJ器件結構已成為產業界高度認可的主流路線。

2022年，該團隊在國際上首次實作了寫入速度達到10皮秒（10⁻¹¹s）量級的新型磁隧道結器件，在寫入速度方面超越現有磁儲存芯片原型器件技術1 - 2個數量級。

中國科學院微電子研究所 的微電子器件與整合技術重點實驗室自2019年設立磁儲存及自旋電子器件研究方向，主要集中在從物理機理的角度解決限制MRAM發展的關鍵技術問題。例如在2023年，該研究所開發了一種基於垂直磁各向異性SOT - MTJ的刻蝕 「停 MGO」 工藝，解決了 SOT -MRAM制造中的刻蝕短路問題，提高了器件的良率和關鍵參數的均勻性。

同時國內也有許多新興的儲存芯片企業正在加大對MRAM的研發投入。 致真儲存（北京）科技有限公司 成立於2019年，研發團隊在自旋儲存芯片領域深耕近十年。是國內唯一具有SOT-MRAM完整智慧財產權和8英寸研發、中試、量產線的廠商，成功研發國內第一個80nm以下MRAM核心器件，成為行業領先的前沿科技創新企業。該公司已獲得中科創星、普華資本、中電海康等多方戰略投資，並計劃建設 8 英寸和 12 英寸的新一代儲存芯片生產線。

深圳亙存科技有限責任公司 成立於 2019 年，是國內目前唯一專註於圍繞磁性隨機記憶體（MRAM）技術進行相關芯片產品設計開發和銷售的Fabless企業。其針對邊緣側、端側的智慧化需求，布局了 「獨立式MRAM儲存芯片」 和包含嵌入式MRAM的 「AISOC 芯片」 兩條核心產品線。

2021 年收獲一款客製芯片的獨家訂單，且客戶很快追加了第二款客製產品。截至 2021年，公司有一款首次整合了超過 200MB 的MRAM芯片正在等待送樣測試，還有兩款客戶客製的芯片已經流片並計劃次年量產，另外還有兩個基於MRAM的近存、存內計算的在研計畫。

浙江馳拓科技有限公司 在MRAM領域取得了顯著進展。B 輪融資 12 億元，募集資金將用於系列化產品開發、技術能力提升、工藝平台最佳化、市場開拓和行業資源整合，進一步加速研發和產業化行程，引領新型儲存行業科技創新，完善MRAM產業生態布局。該公司擁有 12 英寸新型儲存芯片中試線，成功開發獨立式儲存芯片和嵌入式 IP 等系列產品，並可提供 90/40/28nm 多個先進工藝節點下的芯片設計、工藝研發、流片、測試分析等全方位服務。

MRAM的出現，為儲存技術的發展註入了新的活力。

未來，MRAM與其他儲存技術的融合將是未來的一個重要發展方向。例如，將MRAM與動態隨機記憶體（DRAM）、快閃記憶體（Flash）等結合，可以充分發揮各種儲存技術的優勢，實作效能、容量和成本的最佳平衡。例如，在行動裝置中，可以將MRAM作為快取，與 DRAM 和 Flash 組成混合儲存系統，提高裝置的效能和續航能力。

此外，MRAM還可以與人工智慧芯片結合，實作存算一體的架構，提高人工智慧演算法的執行效率。例如，在影像辨識、語音辨識等領域，存算一體的人工智慧芯片可以實作更高的效能和更低的功耗。

在當今資訊時代，儲存技術的重要性不言而喻。讓我們共同期待MRAM這匹 「黑馬」 在儲存領域的精彩表現。