文 | 半導體産業縱橫
1956 年，IBM 推出世界上第一個硬盤驅動器—— RAMAC 305，可以存儲 5MB 的數據，傳輸速度爲 10K/s。雖然這款硬盤體積巨大如同兩台冰箱，重量超過一噸，但是卻标志着磁盤存儲時代的開始。
此後，随着科技的進步，内存技術逐漸發展。動态随機存取存儲器（DRAM），具有較快的讀寫速度，能夠滿足計算機系統在運行過程中對數據的快速存取需求。固态硬盤（SSD）以其高速的讀寫性能、低功耗和抗震動等優點，逐漸取代傳統磁盤成爲主流存儲設備之一。
存儲技術仍舊在持續發展，近年來新型存儲技術如雨後春筍般湧現，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。
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）通過相變材料相态的變化獲得不同的電阻值，以實現數據的存儲。英特爾與美光聯合研發的 3D XPoint 技術是其代表，英特爾将其冠名爲傲騰（Optane），美光則稱爲 QuantX。
磁變存儲器（MRAM）基于隧穿磁阻效應的技術，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 是其代表産品。
阻變存儲器（RRAM/ReRAM）利用阻變材料中導電通道的産生或關閉實現電阻變化。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據，具有讀寫速度快、功耗低、非易失性等優點，在一些對讀寫速度和功耗要求較高的嵌入式系統中有應用。
在存儲技術不斷創新的浪潮中，磁性随機存儲器（MRAM）作爲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。與傳統的非易失性存儲技術相比，MRAM 的讀寫速度可以與内存相媲美，而又不像内存那樣斷電後數據丢失。這一特點使得 MRAM 在需要快速啓動和數據持久保存的應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 産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%。這是因爲 DRAM 需要不斷地進行刷新操作以保持數據，而 MRAM 基于磁性材料的存儲機制，不需要頻繁的刷新操作。
最後，MRAM 還具有與邏輯芯片整合度高的特點。這意味着可以将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爲未來電子設備的小型化、智能化發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 世紀中葉。當時，科學家們開始探索利用磁性材料來存儲數據的可能性。随着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據，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，科學家們面臨着許多挑戰。其中一個關鍵問題是如何實現對磁性材料磁化方向的精确控制。由于磁性材料的磁化過程通常是随機的，因此需要找到一種有效的方法來定向磁化。此外，早期的 MRAM 實驗還面臨着存儲密度低、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）獨立發現了巨磁阻效應（Giant Magnetoresistance，GMR）。這一發現引起了科學界的轟動，并爲 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确地檢測磁性材料的磁化狀态，從而提高了 MRAM 的讀寫速度和存儲密度。此外，GMR 效應還爲 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 效應主要通過磁性隧道結（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來實現。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。通過檢測 MTJ 的電阻變化，可以實現對磁性材料磁化狀态的讀取。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——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。
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 技術的發展曆程可以追溯到 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，爲 MRAM 的商業化應用奠定了基礎。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 的性能和可靠性。
MRAM 開始商業化
随着 TMR 技術的不斷發展和成熟，第一個商業化的 MRAM 産品終于在 2006 年誕生。這個産品是由飛思卡爾半導體（Freescale Semiconductor，現爲恩智浦半導體 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。這個産品的誕生标志着 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，例如在存儲容量、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 速度和閃存結構的非易失的 Toggle-MRAM，其 16 位 32MB 并行 MRAM 具有最高 35ns 的寫入周期時間，工作溫度範圍爲 -40~125°C，适用于工業和汽車應用。
随着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 公司大批量生産了 256MB DDR3 STT-MRAM，并集成了 40nm CMOS；2019 年，該公司又批量生産了 28nm CMOS 上的 1GB DDR4 STT-MRAM。
半導體行業内的各大廠商、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議，爲 MRAM 的商業化應用提供了技術支持。
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 ) 、自旋軌道扭矩 ( spin-orbit torque：SOT ) 、電壓控制（VCMA- 和 VG-SOT）和 domain-wallMRAM。
MRAM 的未來發展趨勢
MRAM 市場趨勢
Yole Development 分析稱，到 2024 年，MRAM 的市場規模将增加 40 倍，制造工藝将減少到 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、台積電等都在積極投入 MRAM 的研發。
台積電
今年 1 月，台積電攜手工研院宣布成功研發出自旋軌道轉矩磁性存儲器（SOT-MRAM）陣列芯片，标志着在下一代 MRAM 存儲器技術領域的重大突破。這一創新産品不僅采用了先進的運算架構，而且其功耗僅爲同類技術 STT-MRAM 的 1%。目前台積電已經成功開發出 22 納米、16/12 納米制程的 MRAM 産品線，并在内存、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》上發表了全球首個基于 MRAM 的存内計算研究。通過構建新的 MRAM 陣列結構，用基于 28nm CMOS 工藝的 MRAM 陣列芯片運行了手寫數字識别和人臉檢測等 AI 算法，準确率分别爲 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，發表了題爲 "World-most
energy-efficientMRAMtechnology for non-volatile RAM applications（适用于非易失性 RAM 應用的業界最強能效 MRAM 技術）" 論文，描述了基于三星 28 納米和 14 納米邏輯制程節點的 nvRAM 産品技術。
來源：三星
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 納米節點，縮小到 14 納米 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産更多芯片，從而産生更多裸芯片（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 次循環的近乎無限耐用性。但最重要的成就，是在 54MB/s 帶寬下，主動讀取和寫入功耗分别爲 14mW 和 27mW 的業内一流能效。
英特爾
英特爾宣布其 MRAM 已經準備好大規模量産，采用了成熟的 22nm FFL FinFET 制造工藝，良品率超過了 99.998％。但關于具體投入規模量産的時間以及用于何種産品之上，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爲 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 ℃下爲 10 微秒，寫入壽命不低于一百萬次，标準耐受溫度範圍 -40 ℃到 125 ℃。
Everspin
作爲較早推出 MRAM 産品的公司，Everspin 不斷推進産品的叠代升級。繼 2012 年發布第一代 STT-MRAM（自旋轉移矩磁阻内存）後，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 産品已經滲透到包括計算機内存、航空航天、工業自動化、汽車電子、醫療等多個領域。
國内方面，諸多高校如中科院、清華大學、複旦大學、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），這一成果仍保持着 MRAM 芯片 TMR 指标的世界最高紀錄。該團隊提出的雙界面型 MTJ 器件結構已成爲産業界高度認可的主流路線。
來源：北京航空航天大學
2022 年，該團隊在國際上首次實現了寫入速度達到 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存儲芯片原型器件技術 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 發展的關鍵技術問題。例如在 2023 年，該研究所開發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的均勻性。
同時國内也有許多新興的存儲芯片企業正在加大對 MRAM 的研發投入。緻真存儲（北京）科技有限公司成立于 2019 年，研發團隊在自旋存儲芯片領域深耕近十年。是國内唯一具有 SOT-MRAM 完整知識産權和 8 英寸研發、中試、量産線的廠商，成功研發國内首個 80nm 以下 MRAM 核心器件，成爲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，并計劃建設 8 英寸和 12 英寸的新一代存儲芯片生産線。
深圳亘存科技有限責任公司成立于 2019 年，是國内目前唯一專注于圍繞磁性随機存儲器（MRAM）技術進行相關芯片産品設計開發和銷售的 Fabless 企業。其針對邊緣側、端側的智能化需求，布局了 " 獨立式 MRAM 存儲芯片 " 和包含嵌入式 MRAM 的 "AISOC 芯片 " 兩條核心産品線。
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産品。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流片并計劃次年量産，另外還有兩個基于 MRAM 的近存、存内計算的在研項目。
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，募集資金将用于系列化産品開發、技術能力提升、工藝平台優化、市場開拓和行業資源整合，進一步加速研發和産業化進程，引領新型存儲行業科技創新，完善 MRAM 産業生态布局。該公司擁有 12 英寸新型存儲芯片中試線，成功開發獨立式存儲芯片和嵌入式 IP 等系列産品，并可提供 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。
結語
MRAM 的出現，爲存儲技術的發展注入了新的活力。
未來，MRAM 與其他存儲技術的融合将是未來的一個重要發展方向。例如，将 MRAM 與動态随機存儲器（DRAM）、閃存（Flash）等結合，可以充分發揮各種存儲技術的優勢，實現性能、容量和成本的最佳平衡。例如，在移動設備中，可以将 MRAM 作爲高速緩存，與 DRAM 和 Flash 組成混合存儲系統，提高設備的性能和續航能力。
此外，MRAM 還可以與人工智能芯片結合，實現存算一體的架構，提高人工智能算法的運行效率。例如，在圖像識别、語音識别等領域，存算一體的人工智能芯片可以實現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。
