文｜半导体产业纵横

存储技术发展更迭50年，逐渐形成了SRAM、DRAM及Flash这三大主要领域。但是随着半导体制造技术持续朝更小的技术节点迈进，传统的DRAM和NAND Flash开始面临越来越严峻的微缩挑战；再加上由于这些存储技术与逻辑计算单元之间发展速度的失配，严重制约了计算性能和能效的进一步提升。

因此，业界开始对新型存储技术寄予厚望，越来越多的新型技术迅速涌现。

目前主流的新型存储器主要包括四种：阻变存储器（ReRAM/RRAM），相变存储器（PCRAM），铁电存储器（FeRAM/FRAM），磁性存储器（MRAM）。其中MRAM正在成为当下主流的新型存储技术，并且有专家预言，MRAM将带来下一波的存储浪潮。

MRAM是一种兼具DRAM和Flash特点的存储介质，以下是MRAM的一些具体特质。

非易失：铁磁体的磁性不会由于断电而消失，故MRAM具备非易失性。

读写次数无限：铁磁体的磁性不仅断电不会消失，而是几乎可以认为永不消失，故MRAM和DRAM一样可以无限次重写。

写入速度快、功耗低：MRAM的写入时间可低至2.3ns，并且功耗极低，可实现瞬间开关机并能延长便携机的电池使用时间。

和逻辑芯片整合度高：MRAM的单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中，只需在后端的金属化过程增加一两步需要光刻掩模版的工艺即可。再加上MRAM单元可以完全制作在芯片的金属层中，甚至可以实现2~3层单元叠放，故具备在逻辑电路上构造大规模内存阵列的潜力。

与SRAM相比，MRAM速度稍慢，但MRAM在速度上仍然具有足够的竞争力，此外SRAM的设计更复杂，MRAM的密度更高，以及MRAM是非易失性的，而SRAM是易失性的，断电就会丢失数据，MRAM则不会面临这种困扰。

与 DRAM相比，由于DRAM需要电容器充电/放电来完成读写，所以MRAM的读/写速度更快，在密度上MRAM和DRAM相似，但DRAM也是一种易失性存储器。此外，MRAM的单元泄漏较低；与经常刷新数据的DRAM相比，MRAM的电压要求也比较低。

与Flash相比，MRAM 与Flash同样是非易失性的，但是MRAM在耐高温、数据保存，尤其是操作耐久度上，优于Flash。要知道MRAM具备写入和读取速度相同的优点，并具有承受无限多次读写循环的能力。

与ReRAM相比，ReRAM随机读写速度优于传统存储器，但要慢于MRAM和FRAM；同时ReRAM的读写次数约在100万次左右，较传统存储器有数量级的增加，但少于MRAM的读写次数；其中密度和相应的成本是ReRAM的最大优势；从成本方面看，MRAM由于材料的复杂性、密度瓶颈、抗磁干扰等难点，其成本会较高。

与FeRAM相比，MRAM与其性能较为类似，但FeRAM的读写速度要优于MRAM，且可以保持较低的功耗，FRAM的劣势则在于，其成本比MRAM还要高，所以它可以应用于一些非常特殊的市场。

PCRAM也是未来十年内最具潜力的新型存储技术之一。PCRAM 具有容量大、集成度高、速度快、功能低和成本低等优点，特别是与新型 CMOS 工艺兼容。不过PCRAM也存在着一些明显不足之处，特别是写操作速度无法与DRAM相媲美，写耐久性也与DRAM相差较大等。写耐久性差是将其大规模应用于计算机系统所面临的主要障碍之一，目前国内外研究人员正在研究一些解决方案来应对。就目前来说，PCRAM的商业化程度还没有MRAM高。

当然，MRAM也并非没有缺点，它还面临很多的挑战，比如真实器件材料体系复杂、开关比低，CMOS工艺要完全匹配等。此外，MRAM的发展仍然遇到动态功耗、能量延迟效率和可靠性方面的瓶颈。

当下的 MRAM 家族成员包含三类：自旋转移扭矩 (spin-transfer torque ：STT)、自旋轨道扭矩 (spin-orbit torque：SOT)、电压控制（VCMA-和 VG-SOT）。

在非易失性存储器的其他有前景的选择中，STT-MRAM长期以来一直是上层高速缓存存储器（L3 及以上）和内存中非易失性计算的竞争者，这种存储器变体使用自旋极化电流通过隧道结将磁化强度转移到存储器单元。因此，STT-MRAM 的能耗比通过感应电磁场进行记录的传统 MRAM 存储器的能耗低几倍。

SOT-MRAM是从更成熟的自旋转移矩STT-MRAM演变而来的，由于具有更好的耐久性和两个二进制状态之间更快的切换速度，因此具有更好的缓存应用前景。

STT-MRAM (左) vs. SOT-MRAM (右)（来源：清华大学）

STT-MRAM和SOT-MRAM之间的主要区别在于写入所用的电流注入几何结构。STT-MRAM中的电流是垂直注入MTJ的，SOT-MRAM的电流注入则发生在平面内，在相邻的SOT层中——典型情况是像钨(W)这样的重金属层。因此SOT-MRAM中的读写路径是去耦的，显著提高了器件的耐久性和读取稳定性。平面型电流注入则消除了STT-MRAM工作时的开关延迟。2018年，imec首次展示了开关速度快至210ps的高可靠性SOT-MRAM，这种器件具有增强的耐久性(＞5×1010的开关周期)和300pJ的运行功耗。

目前台积电、英特尔、三星、格芯、联电等各大芯片厂商对于MRAM的布局，研发以及生产都在如火如荼地展开。

台积电SOT-MRAM技术问世，功耗仅为STT-MRAM的1%

早在2002年，台积电就与中国台湾工研院签订了MRAM合作发展计划。2018年，台积电进行了eMRAM芯片的“风险生产”，2019年生产采用22nm制程的eReRAM芯片。

在ISSCC 2020上，台积电又发布了基于ULL 22nm CMOS工艺的32Mb嵌入式STT-MRAM。该技术基于台积电的22nm ULL（Ultra-Low-Leakage）CMOS工艺，具有10ns的极高读取速度，读取功率为0.8mA/MHz/bit。对于32Mb数据，它具有100K个循环的写入耐久性，对于1Mb数据，具有1M个循环的耐久性。它支持在260°C下进行90s的IR回流焊，在150°C下10年的数据保存能力。它以1T1R架构实现单元面积仅为0.046平方微米，25°C下的32Mb阵列的漏电流仅为55mA。

台积电研发STT-MRAM解决方案主要是用来克服嵌入式闪存技术的扩展限制。之后台积电又成功开发出22纳米和16/12纳米工艺的MRAM产品线，并获得了大量来自内存和车用市场的订单。除此之外，台积电还在积极探索SOT-MRAM和VC-MRAM，并与外部研究实验室、财团和学术合作伙伴合作。

2022年6月，中国台湾工研院与台积电合作开发的低压电流SOT-MRAM，具有高写入效率和低写入电压的特点，其SOT-MRAM实现了0.4纳秒的写入速度和7万亿次读写的高耐久度，还可提供超过10年的数据存储寿命。

就在近日（1月18日），台积电携手工研院宣布成功研发出自旋轨道转矩磁性存储器（SOT-MRAM）阵列芯片，标志着在下一代MRAM存储器技术领域的重大突破。这一创新产品不仅采用了先进的运算架构，而且其功耗仅为同类技术STT-MRAM的1%。

工研院与台积电的合作使得SOT-MRAM在工作速度方面达到10ns，进一步提高了存内运算性能，成功跳出了MRAM的传统局限。这次SOT-MRAM的推出将进一步巩固台积电在存储芯片领域的市场地位。

这一突破性技术的应用领域广泛，特别适用于高性能计算、人工智能、车用芯片等领域。随着AI、5G时代的到来，对更快、更低功耗的新一代存储芯片的需求不断增加，而SOT-MRAM正好迎合了这一趋势，成为应对未来科技挑战的重要利器。

三星发布业内首个基于 MRAM的存内计算芯片

三星几乎与台积电同时出手，2002 年三星宣布开始MRAM的开发计划。2005年三星又率先开始了STT-MRAM的研发，该技术后来被证明可以满足高性能计算领域对最后一级缓存的性能要求，被认为是突破利基市场的利器。

然而由于成本和工艺的限制，让三星的MRAM研发逐渐走向低调，在这期间，与FinFET技术齐名的FD-SOI，在以Leti、Soitec、意法半导体为代表的欧洲半导体科研机构和公司相继迎来技术突破，快速发展。

2014 年，三星与意法半导体签订 28nm FD-SOI 技术（一种与 FinFET 齐名的技术）多资源制造全方位合作协议，授权三星在芯片量产中利用意法半导体的 FD-SOI 技术。当年，三星成功生产出 8Mbe MRAM，并利用 28nm FDS，在 2019 年成功量产首款商用 eMRAM。2020 年，三星首批基于 eMRAM 的商用产品上市，由其制造的 Sony GPS SoCs(28nm FDSOI) 被用于华为的智能手表，以及由台积电采用 22nm 超低漏电制程 (ULL) 制造的 Ambiq 低功耗 MCU。

2022年10月，三星研究人员在14nm FinFET逻辑工艺平台上实现了磁性隧道结堆叠的磁阻式随机存取存储器制造，据称是目前世界上尺寸最小、功耗最低的非易失性存储器；这一样品数据写入仅消耗每比特25pJ，读取时有功功率要求为14mW，以每秒54Mbyte的数据速率写入的有功功率要求为27mW，与该公司上一代28nm节点的MRAM相比，读取时间加快了2.6倍。该研究的目标之一是证明嵌入式MRAM作为高速缓存存储器适用于依赖大型数据集和分析的应用程序，例如边缘AI。

近日，三星电子在顶级学术期刊 Nature 上发表了全球首个基于MRAM的存内计算研究。

存内计算无需数据在存储器和处理器间移动，大大降低了 AI 计算的功耗，被视作边缘 AI 计算的一项前沿研究。虽然 MRAM 存储器件具备耐用性、可大规模量产等优势，但其小电阻的特性阻碍了这类存储器被用于存内计算。本次，三星电子的研究团队通过构建新的 MRAM 阵列结构，用基于 28nm CMOS 工艺的 MRAM 阵列芯片运行了手写数字识别和人脸检测等 AI 算法，准确率分别为 98% 和 93%。

在欧洲举行的SFF 2023上，三星宣布了革新下一代汽车技术的愿景，并计划开发三星首款5纳米eMRAM。除了到2024年推出14纳米eMRAM外，公司还计划进一步扩大eMRAM产品组合，到2026年推出8纳米，到2027年推出5纳米。对比14纳米制程，8纳米eMRAM有望将密度提升30%，速度提高33%。

多家布局22nm STT-MRAM

英特尔也是 MRAM 技术的主要推动者，该公司采用的是基于 FinFET 技术的 22 nm 制程。2018 年底，英特尔首次公开介绍了其 MRAM 的研究成果，推出了一款基于 22nm FinFET 制程的 STT-MRAM，当时，该公司称，这是首款基于 FinFET 的 MRAM 产品，并表示已经具备该技术产品的量产能力。

2019年，Everspin与晶圆代工厂格芯合作，试生产28nm 1Gb STT-MRAM产品；2020年3月，双方宣布已将联合开发的STT-MRAM器件的制造，扩展至12 nm FinFET平台，通过缩小制程有助于双方进一步拉低1 Gb芯片成本。Everspin在数据中心、云存储、能源、工业、汽车和运输市场中部署了超过1.2亿个MRAM和STT-MRAM产品。

2022年6月，瑞萨宣布已开发出用于STT-MRAM测试的电路技术使用 22nm工艺制造的具有快速读写操作的芯片。

2018年联电与Avalanche Technology 宣布建立合作伙伴关系，共同开发和生产 MRAM，以取代嵌入式闪存。2022年，联电宣布与Avalanche Technology合作推出22纳米STT-MRAM，将应用于航天等领域。

04、MRAM的主要应用市场

MRAM在边缘方面展现出独特的优势。边缘计算在工业物联网、机器人、可穿戴设备、人工智能、汽车以及便携式设计等领域的应用正在不断增长。伴随着这些增长的是大家对高速、低延迟、非易失性、低功耗、低成本内存（用于程序存储和数据备份）的需求。

虽然有许多可用方案，包括 SRAM、DRAM、闪存等,但这些技术都需要在一个或多个领域进行权衡，这对于边缘计算来说，它们似乎都不太适合。MRAM 将数据存储在磁存储单元中，提供真正的随机访问，并允许在内存中随机读写。此外，MRAM 结构和操作具有低延迟、低泄漏、高写入周期数和高保持率等特点，而这些恰恰都是边缘计算非常需要的。

此外，MRAM是实现存算一体的理想存储器之一。到目前为止，多种存储器介质被研究用于构建存算一体系统。SRAM和DRAM是易失性器件，频繁的刷新并不利于降低功耗。而Flash虽然是非易失性的，但是随着读写次数增加，浮栅氧化层会逐渐失效，反复读写可靠性很低。因此，各种基于电阻改变的新型存储器是实现存算一体的有效载体。

MRAM则是基于对电子“自旋”的控制，可以达到理论上的零静态功耗，同时具有高速和非易失性以及近乎无限的写入次数。MRAM在速度、耐久性、功耗这些方面具有不可替代的优越性。因此，MRAM是实现存算一体的理想存储器之一。

05、取代DRAM和NAND？

随着科技的飞速发展，人们对电脑硬件的要求也越来越高。现在，许多人想要替换掉他们电脑中的内存和硬盘，因为它们并非最先进的技术。它们要么在断电时丢失数据，要么存储速度较慢。

从目前来看，MRAM似乎是那个给内存市场带来惊喜的宠儿。因为MRAM结合了SRAM的速度、DRAM的密度和闪存的非易失性。

不过，也要理性看待这项技术。

Rambus Labs高级副总裁 Gary Bronner 曾为此做过解释：“如今几种新兴内存技术已经发展到可以生产 Mb 到 Gb 密度的水平，其中包括相变存储器，例如 PCM 或 3D Xpoint、MRAM 和 ReRAM。然而，为了取代 DRAM，这些存储器需要具有与 DRAM 相似的性能，但成本要更高。目前还没有一种新兴存储器能够证明取代 DRAM 所需的成本和性能。MRAM正在寻找嵌入式闪存的替代品，其中 MRAM 是性能更高、成本更高的选择。”

总体来说，MRAM距离技术成熟还有一定距离，同时还未凸显成本优势，加之其它新型存储技术也在发展之中，只能说MRAM是现在最有希望的那一个，至于全面取代DRAM或者NAND，MRAM还有很长的路要走。