MRAM，新興的黑馬

1956 年，IBM 推出世界上第一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器——RAMAC 305，可以存儲(chǔ) 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(tái)冰箱，重量超過一噸，但是卻標(biāo)志著磁盤存儲(chǔ)時(shí)代的開始。

此后，隨著科技的進(jìn)步，內(nèi)存技術(shù)逐漸發(fā)展。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM），具有較快的讀寫速度，能夠滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中對(duì)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(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代傳統(tǒng)磁盤成為主流存儲(chǔ)設(shè)備之一。

存儲(chǔ)技術(shù)仍舊在持續(xù)發(fā)展，近年來新型存儲(chǔ)技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)，諸如相變存儲(chǔ)器（PCM）、阻變存儲(chǔ)器（RRAM）、磁變存儲(chǔ)器（MRAM）、鐵電存儲(chǔ)器（FRAM/Feram）等。

MRAM 的獨(dú)特魅力

在介紹 MARM 前，我們先來簡(jiǎn)單了解一下新型的四種存儲(chǔ)技術(shù)。

相變存儲(chǔ)器（PCM）通過相變材料相態(tài)的變化獲得不同的電阻值，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。英特爾與美光聯(lián)合研發(fā)的 3D XPoint 技術(shù)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(chǔ)器（MRAM）基于隧穿磁阻效應(yīng)的技術(shù)，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(diǎn)。美國(guó) Everspin 公司推出的 STT-MRAM 是其代表產(chǎn)品。

阻變存儲(chǔ)器（RRAM/ReRAM）利用阻變材料中導(dǎo)電通道的產(chǎn)生或關(guān)閉實(shí)現(xiàn)電阻變化。代表公司有美國(guó) Crossbar、松下和昕原半導(dǎo)體等。

鐵電存儲(chǔ)器（FRAM/Feram）利用鐵電材料的極化特性來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，具有讀寫速度快、功耗低、非易失性等優(yōu)點(diǎn)，在一些對(duì)讀寫速度和功耗要求較高的嵌入式系統(tǒng)中有應(yīng)用。

在存儲(chǔ)技術(shù)不斷創(chuàng)新的浪潮中，磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）作為一種新型存儲(chǔ)技術(shù)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(chǔ)技術(shù)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(diǎn)使得 MRAM 在需要快速啟動(dòng)和數(shù)據(jù)持久保存的應(yīng)用場(chǎng)景中具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

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(dá)到 10 納秒以下。甚至，一些先進(jìn)的 MRAM 產(chǎn)品的讀取速度能夠達(dá)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(diǎn)。與傳統(tǒng)的 DRAM 相比，MRAM 的功耗可以降低 50%～80%。這是因?yàn)?DRAM 需要不斷地進(jìn)行刷新操作以保持?jǐn)?shù)據(jù)，而 MRAM 基于磁性材料的存儲(chǔ)機(jī)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(diǎn)。這意味著可以將存儲(chǔ)單元與邏輯電路緊密集成在同一芯片上，從而減小設(shè)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(shè)備的小型化、智能化發(fā)展提供了新的可能性。

MARM 的誕生記

MRAM 的概念最早可以追溯到 20 世紀(jì)中葉。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家們開始探索利用磁性材料來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可能性。隨著對(duì)磁性材料和電子學(xué)的深入研究，MRAM 的基本原理逐漸被提出。

早期的設(shè)想是通過控制磁性材料的磁化方向來表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即「0」和「1」。這種存儲(chǔ)方式具有非易失性、高速度和低功耗等潛在優(yōu)勢(shì)，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

在早期的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們面臨著許多挑戰(zhàn)。其中一個(gè)關(guān)鍵問題是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)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(shí)驗(yàn)還面臨著存儲(chǔ)密度低、讀寫速度慢和可靠性差等問題。

巨磁阻效應(yīng)（GMR）帶來的新契機(jī)

1988 年，法國(guó)科學(xué)家阿爾貝?費(fèi)爾（Albert Fert）和德國(guó)科學(xué)家彼得?格林貝格（Peter Grünberg）獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)（Giant Magnetoresistance，GMR）。這一發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)界的轟動(dòng)，并為 MRAM 的發(fā)展帶來了重大的推動(dòng)作用。

GMR 效應(yīng)是指在磁性材料中，當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，電阻會(huì)發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。這一效應(yīng)使得科學(xué)家們能夠更加精確地檢測(cè)磁性材料的磁化狀態(tài)，從而提高了 MRAM 的讀寫速度和存儲(chǔ)密度。此外，GMR 效應(yīng)還為 MRAM 的制造提供了新的技術(shù)途徑，使得 MRAM 能夠更加容易地與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝相結(jié)合。

在 MRAM 技術(shù)中，GMR 效應(yīng)主要通過磁性隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來實(shí)現(xiàn)。MTJ 是由兩個(gè)磁性層和一個(gè)絕緣層組成的三明治結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩個(gè)磁性層的磁化方向平行時(shí)，電阻較低；當(dāng)兩個(gè)磁性層的磁化方向反平行時(shí)，電阻較高。通過檢測(cè) MTJ 的電阻變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性材料磁化狀態(tài)的讀取。同時(shí)，通過施加外部磁場(chǎng)或電流，可以改變磁性層的磁化方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的寫入。

此后，在 GMR 效應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型磁阻效應(yīng)——隧穿磁阻效應(yīng)（Tunneling Magnetoresistance，TMR）。與 GMR 效應(yīng)相比，TMR 效應(yīng)具有更高的磁阻變化率和更低的功耗。

MgO 基磁性隧道結(jié)示意圖來源：物理學(xué)報(bào)《MgO 基磁性隧道結(jié)溫度-偏壓相圖的理論研究》

TMR 技術(shù)的發(fā)展歷程可以追溯到 20 世紀(jì) 90 年代。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家們開始研究如何利用隧穿效應(yīng)來提高磁阻變化率。經(jīng)過多年的努力，他們終于在 21 世紀(jì)初取得了重大的突破。其中一個(gè)關(guān)鍵突破是開發(fā)出了一種新型的磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，即 MgO 基磁性隧道結(jié)。這種結(jié)構(gòu)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外，科學(xué)家們還開發(fā)出了一些新的制造工藝和技術(shù)，如自對(duì)準(zhǔn)工藝和垂直磁化技術(shù)，以提高 MRAM 的性能和可靠性。

MRAM 開始商業(yè)化

隨著 TMR 技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，第一個(gè)商業(yè)化的 MRAM 產(chǎn)品終于在 2006 年誕生。這個(gè)產(chǎn)品是由飛思卡爾半導(dǎo)體（Freescale Semiconductor，現(xiàn)為恩智浦半導(dǎo)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(chǔ)容量和 35ns 的讀寫速度。這個(gè)產(chǎn)品的誕生標(biāo)志著 MRAM 技術(shù)正式進(jìn)入了商業(yè)化階段。

這一時(shí)期，MRAM 的技術(shù)持續(xù)改進(jìn)，例如在存儲(chǔ)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(gòu)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(shí)間，工作溫度范圍為 -40~125°C，適用于工業(yè)和汽車應(yīng)用。

隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷進(jìn)步，MRAM 開始向更先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)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(dǎo)體行業(yè)內(nèi)的各大廠商、科研機(jī)構(gòu)之間的合作不斷加強(qiáng)，共同推動(dòng) MRAM 技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用。例如，三星與意法半導(dǎo)體在 2014 年簽訂 28nm FD-SOI 技術(shù)多資源制造全方位合作協(xié)議，為 MRAM 的商業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

近年幾款 MRAM 芯片

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。

MRAM 的未來發(fā)展趨勢(shì)

MRAM 市場(chǎng)趨勢(shì)

Yole Development 分析稱，到 2024 年，MRAM 的市場(chǎng)規(guī)模將增加 40 倍，制造工藝將減少到 16nm，存儲(chǔ)容量則會(huì)從 1Gbit 增加到 8Gbit。國(guó)際上的半導(dǎo)體巨頭如英特爾、三星、臺(tái)積電等都在積極投入 MRAM 的研發(fā)。

臺(tái)積電

今年 1 月，臺(tái)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(chǔ)器（SOT-MRAM）陣列芯片，標(biāo)志著在下一代 MRAM 存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域的重大突破。這一創(chuàng)新產(chǎn)品不僅采用了先進(jìn)的運(yùn)算架構(gòu)，而且其功耗僅為同類技術(shù) STT-MRAM 的 1%。目前臺(tái)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(chǎng)獲得大量訂單。

三星

2021 年，三星電子在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature》上發(fā)表了全球首個(gè)基于 MRAM 的存內(nèi)計(jì)算研究。通過構(gòu)建新的 MRAM 陣列結(jié)構(gòu)，用基于 28nm CMOS 工藝的 MRAM 陣列芯片運(yùn)行了手寫數(shù)字識(shí)別和人臉檢測(cè)等 AI 算法，準(zhǔn)確率分別為 98% 和 93%。

2022 年 12 月，三星電子在著名的微電子學(xué)會(huì)議 IEEE 國(guó)際電子器件會(huì)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(yīng)用的業(yè)界最強(qiáng)能效 MRAM 技術(shù)）」論文，描述了基于三星 28 納米和 14 納米邏輯制程節(jié)點(diǎn)的 nvRAM 產(chǎn)品技術(shù)。

來源：三星

具體而言，增強(qiáng)型磁隧道結(jié)（MTJ）的堆疊工藝技術(shù)，顯著降低了寫入錯(cuò)誤率（WER）。MTJ 也從 28 納米節(jié)點(diǎn)，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(shí)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(dòng)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(zhǔn)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(guān)于具體投入規(guī)模量產(chǎn)的時(shí)間以及用于何種產(chǎn)品之上，尚未給出更詳細(xì)的說明。

英特爾研究的 MRAM 每個(gè)存儲(chǔ)單元的面積為 0.0486 平方微米、容量 7MB，讀取時(shí)間 0.9V 電壓下 4 納秒、0.8V 電壓下 8 納秒，寫入時(shí)間 -40℃下為 10 微秒，寫入壽命不低于一百萬次，標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)產(chǎn)品的迭代升級(jí)。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(jì)算機(jī)內(nèi)存、航空航天、工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)方面，諸多高校如中科院、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、電子科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等在 MRAM 相關(guān)的基礎(chǔ)研究方面也取得了一定成果。

北京航空航天大學(xué)集成電路學(xué)院自旋芯片團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期圍繞自旋電子學(xué)開展交叉學(xué)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(biāo)的世界最高紀(jì)錄。該團(tuán)隊(duì)提出的雙界面型 MTJ 器件結(jié)構(gòu)已成為產(chǎn)業(yè)界高度認(rèn)可的主流路線。

來源：北京航空航天大學(xué)

2022 年，該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了寫入速度達(dá)到 10 皮秒（10?11s）量級(jí)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(chǔ)芯片原型器件技術(shù) 1 - 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

中國(guó)科學(xué)院微電子研究所的微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自 2019 年設(shè)立磁存儲(chǔ)及自旋電子器件研究方向，主要集中在從物理機(jī)理的角度解決限制 MRAM 發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵參數(shù)的均勻性。

同時(shí)國(guó)內(nèi)也有許多新興的存儲(chǔ)芯片企業(yè)正在加大對(duì) MRAM 的研發(fā)投入。致真存儲(chǔ)（北京）科技有限公司成立于 2019 年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在自旋存儲(chǔ)芯片領(lǐng)域深耕近十年。是國(guó)內(nèi)唯一具有 SOT-MRAM 完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)和 8 英寸研發(fā)、中試、量產(chǎn)線的廠商，成功研發(fā)國(guó)內(nèi)首個(gè) 80nm 以下 MRAM 核心器件，成為行業(yè)領(lǐng)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?？档榷喾綉?zhàn)略投資，并計(jì)劃建設(shè) 8 英寸和 12 英寸的新一代存儲(chǔ)芯片生產(chǎn)線。

深圳亙存科技有限責(zé)任公司成立于 2019 年，是國(guó)內(nèi)目前唯一專注于圍繞磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）技術(shù)進(jìn)行相關(guān)芯片產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和銷售的 Fabless 企業(yè)。其針對(duì)邊緣側(cè)、端側(cè)的智能化需求，布局了「獨(dú)立式 MRAM 存儲(chǔ)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(dú)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(cè)試，還有兩款客戶定制的芯片已經(jīng)流片并計(jì)劃次年量產(chǎn)，另外還有兩個(gè)基于 MRAM 的近存、存內(nèi)計(jì)算的在研項(xiàng)目。

浙江馳拓科技有限公司在 MRAM 領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)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(shù)能力提升、工藝平臺(tái)優(yōu)化、市場(chǎng)開拓和行業(yè)資源整合，進(jìn)一步加速研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，引領(lǐng)新型存儲(chǔ)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(chǔ)芯片中試線，成功開發(fā)獨(dú)立式存儲(chǔ)芯片和嵌入式 IP 等系列產(chǎn)品，并可提供 90/40/28nm 多個(gè)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下的芯片設(shè)計(jì)、工藝研發(fā)、流片、測(cè)試分析等全方位服務(wù)。

結(jié)語

MRAM 的出現(xiàn)，為存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。

未來，MRAM 與其他存儲(chǔ)技術(shù)的融合將是未來的一個(gè)重要發(fā)展方向。例如，將 MRAM 與動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）、閃存（Flash）等結(jié)合，可以充分發(fā)揮各種存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)性能、容量和成本的最佳平衡。例如，在移動(dòng)設(shè)備中，可以將 MRAM 作為高速緩存，與 DRAM 和 Flash 組成混合存儲(chǔ)系統(tǒng)，提高設(shè)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(shí)現(xiàn)存算一體的架構(gòu)，提高人工智能算法的運(yùn)行效率。例如，在圖像識(shí)別、語音識(shí)別等領(lǐng)域，存算一體的人工智能芯片可以實(shí)現(xiàn)更高的性能和更低的功耗。

在當(dāng)今信息時(shí)代，存儲(chǔ)技術(shù)的重要性不言而喻。讓我們共同期待 MRAM 這匹「黑馬」在存儲(chǔ)領(lǐng)域的精彩表現(xiàn)。