1854
1956 年，IBM推出世界上第一個硬盤驅(qū)動器——RAMAC 305，可以存儲 5MB 的數(shù)據(jù)，傳輸速度為 10K/s。雖然這款硬盤體積巨大如同兩臺冰箱，重量超過一噸，但是卻標志著磁盤存儲時代的開始。此后，隨著科技的進步，內(nèi)存技術逐漸發(fā)展。
動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM），具有較快的讀寫速度，能夠滿足計算機系統(tǒng)在運行過程中對數(shù)據(jù)的快速存取需求。固態(tài)硬盤（SSD）以其高速的讀寫性能、低功耗和抗震動等優(yōu)點，逐漸取代傳統(tǒng)磁盤成為主流存儲設備之一。存儲技術仍舊在持續(xù)發(fā)展，近年來新型存儲技術如雨后春筍般涌現(xiàn)，諸如相變存儲器（PCM）、阻變存儲器（RRAM）、磁變存儲器（MRAM）、鐵電存儲器（FRAM/Feram）等。
01、MRAM的獨特魅力
在介紹MARM前，我們先來簡單了解一下新型的四種存儲技術。
相變存儲器（PCM）通過相變材料相態(tài)的變化獲得不同的電阻值，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。英特爾與美光聯(lián)合研發(fā)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。
磁變存儲器（MRAM）基于隧穿磁阻效應的技術，具有讀寫次數(shù)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(chǎn)品。
阻變存儲器（RRAM/ReRAM）利用阻變材料中導電通道的產(chǎn)生或關閉實現(xiàn)電阻變化。代表公司有美國 Crossbar、松下和昕原半導體等。
鐵電存儲器（FRAM/Feram）利用鐵電材料的極化特性來存儲數(shù)據(jù)，具有讀寫速度快、功耗低、非易失性等優(yōu)點，在一些對讀寫速度和功耗要求較高的嵌入式系統(tǒng)中有應用。
在存儲技術不斷創(chuàng)新的浪潮中，磁性隨機存儲器（MRAM）作為一種新型存儲技術脫穎而出。首先，它兼具非易失性和高速讀寫的特性。與傳統(tǒng)的非易失性存儲技術相比，MRAM的讀寫速度可以與內(nèi)存相媲美，而又不像內(nèi)存那樣斷電后數(shù)據(jù)丟失。這一特點使得MRAM在需要快速啟動和數(shù)據(jù)持久保存的應用場景中具有巨大的優(yōu)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(chǎn)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(yōu)點。與傳統(tǒng)的 DRAM 相比，MRAM的功耗可以降低 50%～80%。這是因為 DRAM 需要不斷地進行刷新操作以保持數(shù)據(jù)，而MRAM基于磁性材料的存儲機制，不需要頻繁的刷新操作。
最后，MRAM還具有與邏輯芯片整合度高的特點。這意味著可以將存儲單元與邏輯電路緊密集成在同一芯片上，從而減小設備的體積、提高性能并降低成本。這種高度集成的特性為未來電子設備的小型化、智能化發(fā)展提供了新的可能性。
02、MARM的誕生記
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存儲數(shù)據(jù)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。
早期的設想是通過控制磁性材料的磁化方向來表示二進制數(shù)據(jù)，即 “0” 和 “1”。這種存儲方式具有非易失性、高速度和低功耗等潛在優(yōu)勢，引起了科學界的廣泛關注。
在早期的實驗中，科學家們面臨著許多挑戰(zhàn)。其中一個關鍵問題是如何實現(xiàn)對磁性材料磁化方向的精確控制。由于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實驗還面臨著存儲密度低、讀寫速度慢和可靠性差等問題。
巨磁阻效應（GMR）帶來的新契機
1988年，法國科學家阿爾貝?費爾（Albert Fert）和德國科學家彼得?格林貝格（Peter Grünberg）獨立發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應（Giant Magnetoresistance，GMR）。這一發(fā)現(xiàn)引起了科學界的轟動，并為MRAM的發(fā)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(fā)生變化時，電阻會發(fā)生顯著變化的現(xiàn)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(tài)，從而提高了MRAM的讀寫速度和存儲密度。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(tǒng)的半導體制造工藝相結(jié)合。
在MRAM技術中，GMR 效應主要通過磁性隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來實現(xiàn)。MTJ 是由兩個磁性層和一個絕緣層組成的三明治結(jié)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。通過檢測 MTJ 的電阻變化，可以實現(xiàn)對磁性材料磁化狀態(tài)的讀取。同時，通過施加外部磁場或電流，可以改變磁性層的磁化方向，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的寫入。
此后，在GMR效應的基礎上發(fā)展起來的一種新型磁阻效應——隧穿磁阻效應（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。
TMR 技術的發(fā)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隧穿效應來提高磁阻變化率。經(jīng)過多年的努力，他們終于在 21 世紀初取得了重大的突破。其中一個關鍵突破是開發(fā)出了一種新型的磁性隧道結(jié)結(jié)構，即 MgO 基磁性隧道結(jié)。這種結(jié)構具有很高的磁阻變化率和良好的溫度穩(wěn)定性，為MRAM的商業(yè)化應用奠定了基礎。此外，科學家們還開發(fā)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的性能和可靠性。
MRAM開始商業(yè)化
隨著 TMR 技術的不斷發(fā)展和成熟，第一個商業(yè)化的MRAM產(chǎn)品終于在 2006 年誕生。這個產(chǎn)品是由飛思卡爾半導體（Freescale Semiconductor，現(xiàn)為恩智浦半導體 NXP Semiconductors 的一部分）推出的，它采用了 180nm 的 CMOS 工藝制造，具有 4Mb 的存儲容量和 35ns 的讀寫速度。這個產(chǎn)品的誕生標志著MRAM技術正式進入了商業(yè)化階段。
這一時期，MRAM的技術持續(xù)改進，例如在存儲容量、讀寫速度、工作溫度范圍等方面不斷提升。Everspin 公司推出了具有 SRAM 速度和閃存結(jié)構的非易失的 Toggle-MRAM，其 16 位 32MB 并行MRAM具有最高 35ns 的寫入周期時間，工作溫度范圍為 -40~125°C，適用于工業(yè)和汽車應用。
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(jié)點發(fā)展。例如，2017 年，Everspin 公司大批量生產(chǎn)了 256MB DDR3 STT-MRAM，并集成了 40nm CMOS；2019 年，該公司又批量生產(chǎn)了 28nm CMOS 上的 1GB DDR4 STT-MRAM。
半導體行業(yè)內(nèi)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(fā)展和商業(yè)化應用。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(xié)議，為MRAM的商業(yè)化應用提供了技術支持。
現(xiàn)在，MRAM家族包括了自旋轉(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-wallMRAM。
03、MRAM的未來發(fā)展趨勢
Yole Development分析稱，到2024年，MRAM的市場規(guī)模將增加40倍，制造工藝將減少到16nm，存儲容量則會從1Gbit增加到8Gbit。國際上的半導體巨頭如英特爾、三星、臺積電等都在積極投入MRAM的研發(fā)。
臺積電
今年1月，臺積電攜手工研院宣布成功研發(fā)出自旋軌道轉(zhuǎn)矩磁性存儲器（SOT-MRAM）陣列芯片，標志著在下一代MRAM存儲器技術領域的重大突破。這一創(chuàng)新產(chǎn)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%。目前臺積電已經(jīng)成功開發(fā)出22納米、16/12納米制程的MRAM產(chǎn)品線，并在內(nèi)存、車用市場獲得大量訂單。
三星
2021年，三星電子在頂級學術期刊《Nature》上發(fā)表了全球首個基于MRAM的存內(nèi)計算研究。通過構建新的MRAM陣列結(jié)構，用基于 28nm CMOS 工藝的MRAM陣列芯片運行了手寫數(shù)字識別和人臉檢測等 AI 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(fā)表了題為“World-most energy-efficientMRAMtechnology for non-volatile RAM applications（適用于非易失性 RAM 應用的業(yè)界最強能效MRAM技術）”論文，描述了基于三星28納米和14納米邏輯制程節(jié)點的nvRAM產(chǎn)品技術。
具體而言，增強型磁隧道結(jié)（MTJ）的堆疊工藝技術，顯著降低了寫入錯誤率（WER）。MTJ也從28納米節(jié)點，縮小到14納米FinEFT工藝，面積縮小了33%。該尺寸芯片規(guī)模，允許在同一晶圓上生產(chǎn)更多芯片，從而產(chǎn)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(yè)界最小的商用尺寸30mm。該解決方案能在-25℃下提供超1E142次循環(huán)的近乎無限耐用性。但最重要的成就，是在 54MB/s 帶寬下，主動讀取和寫入功耗分別為 14mW 和 27mW的業(yè)內(nèi)一流能效。
英特爾
英特爾宣布其MRAM已經(jīng)準備好大規(guī)模量產(chǎn)，采用了成熟的 22nm FFL FinFET 制造工藝，良品率超過了 99.998％。但關于具體投入規(guī)模量產(chǎn)的時間以及用于何種產(chǎn)品之上，尚未給出更詳細的說明。英特爾研究的MRAM每個存儲單元的面積為 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，寫入壽命不低于一百萬次，標準耐受溫度范圍-40℃到125℃。
Everspin
作為較早推出MRAM產(chǎn)品的公司，Everspin不斷推進產(chǎn)品的迭代升級。繼 2012 年發(fā)布第一代 STT-MRAM（自旋轉(zhuǎn)移矩磁阻內(nèi)存）后，又推出了采用 GlobalFoundries 28nm 制造工藝的第二代 STT-MRAM，并封裝于 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）Everspin MRAM產(chǎn)品已經(jīng)滲透到包括計算機內(nèi)存、航空航天、工業(yè)自動化、汽車電子、醫(yī)療等多個領域。國內(nèi)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。
北京航空航天大學集成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 年成功研制出基于單原子層鎢的雙界面型MTJ器件，獲得了 249% 的隧穿磁阻率（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(jié)構已成為產(chǎn)業(yè)界高度認可的主流路線。
2022年，該團隊在國際上首次實現(xiàn)了寫入速度達到10皮秒（10?11s）量級的新型磁隧道結(jié)器件，在寫入速度方面超越現(xiàn)有磁存儲芯片原型器件技術1 - 2個數(shù)量級。
中國科學院微電子研究所的微電子器件與集成技術重點實驗室自2019年設立磁存儲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(fā)展的關鍵技術問題。例如在2023年，該研究所開發(fā)了一種基于垂直磁各向異性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(shù)的均勻性。
同時國內(nèi)也有許多新興的存儲芯片企業(yè)正在加大對MRAM的研發(fā)投入。致真存儲（北京）科技有限公司成立于2019年，研發(fā)團隊在自旋存儲芯片領域深耕近十年。是國內(nèi)唯一具有SOT-MRAM完整知識產(chǎn)權和8英寸研發(fā)、中試、量產(chǎn)線的廠商，成功研發(fā)國內(nèi)首個80nm以下MRAM核心器件，成為行業(yè)領先的前沿科技創(chuàng)新企業(yè)。該公司已獲得中科創(chuàng)星、普華資本、中電海康等多方戰(zhàn)略投資，并計劃建設 8 英寸和 12 英寸的新一代存儲芯片生產(chǎn)線。
深圳亙存科技有限責任公司成立于 2019 年，是國內(nèi)目前唯一專注于圍繞磁性隨機存儲器（MRAM）技術進行相關芯片產(chǎn)品設計開發(fā)和銷售的Fabless企業(yè)。其針對邊緣側(cè)、端側(cè)的智能化需求，布局了 “獨立式MRAM存儲芯片” 和包含嵌入式MRAM的 “AISOC 芯片” 兩條核心產(chǎn)品線。
2021 年收獲一款定制芯片的獨家訂單，且客戶很快追加了第二款定制產(chǎn)品。截至 2021年，公司有一款首次集成了超過 200MB 的MRAM芯片正在等待送樣測試，還有兩款客戶定制的芯片已經(jīng)流片并計劃次年量產(chǎn)，另外還有兩個基于MRAM的近存、存內(nèi)計算的在研項目。
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，募集資金將用于系列化產(chǎn)品開發(fā)、技術能力提升、工藝平臺優(yōu)化、市場開拓和行業(yè)資源整合，進一步加速研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程，引領新型存儲行業(yè)科技創(chuàng)新，完善MRAM產(chǎn)業(yè)生態(tài)布局。該公司擁有 12 英寸新型存儲芯片中試線，成功開發(fā)獨立式存儲芯片和嵌入式 IP 等系列產(chǎn)品，并可提供 90/40/28nm 多個先進工藝節(jié)點下的芯片設計、工藝研發(fā)、流片、測試分析等全方位服務。
結(jié)語
MRAM的出現(xiàn)，為存儲技術的發(fā)展注入了新的活力。
未來，MRAM與其他存儲技術的融合將是未來的一個重要發(fā)展方向。例如，將MRAM與動態(tài)隨機存儲器（DRAM）、閃存（Flash）等結(jié)合，可以充分發(fā)揮各種存儲技術的優(yōu)勢，實現(xiàn)性能、容量和成本的最佳平衡。例如，在移動設備中，可以將MRAM作為高速緩存，與 DRAM 和 Flash 組成混合存儲系統(tǒng)，提高設備的性能和續(xù)航能力。
此外，MRAM還可以與人工智能芯片結(jié)合，實現(xiàn)存算一體的架構，提高人工智能算法的運行效率。例如，在圖像識別、語音識別等領域，存算一體的人工智能芯片可以實現(xiàn)更高的性能和更低的功耗。
在當今信息時代，存儲技術的重要性不言而喻。讓我們共同期待MRAM這匹 “黑馬” 在存儲領域的精彩表現(xiàn)。
