MRAM，新兴的黑马

文 | 半导体产业纵横

1956 年，IBM推出世界上第一个硬盘驱动器——RAMAC 305，可以存储 5MB 的数据，传输速度为 10K/s。虽然这款硬盘体积巨大如同两台冰箱，重量超过一吨，但是却标志着磁盘存储时代的开始。

此后，随着科技的进步，内存技术逐渐发展。动态随机存取存储器（DRAM），具有较快的读写速度，能够满足计算机系统在运行过程中对数据的快速存取需求。固态硬盘（SSD）以其高速的读写性能、低功耗和抗震动等优点，逐渐取代传统磁盘成为主流存储设备之一。

存储技术仍旧在持续发展，近年来新型存储技术如雨后春笋般涌现，诸如相变存储器（PCM）、阻变存储器（RRAM）、磁变存储器（MRAM）、铁电存储器（FRAM/Feram）等。

MRAM的独特魅力

在介绍MARM前，我们先来简单了解一下新型的四种存储技术。

相变存储器（PCM）通过相变材料相态的变化获得不同的电阻值，以实现数据的存储。英特尔与美光联合研发的 3D XPoint 技术是其代表，英特尔将其冠名为傲腾（Optane），美光则称为 QuantX。

磁变存储器（MRAM）基于隧穿磁阻效应的技术，具有读写次数无限、写入速度快、功耗低、和逻辑芯片整合度高等特点。美国 Everspin 公司推出的 STT-MRAM是其代表产品。

阻变存储器（RRAM/ReRAM）利用阻变材料中导电通道的产生或关闭实现电阻变化。代表公司有美国 Crossbar、松下和昕原半导体等。

铁电存储器（FRAM/Feram）利用铁电材料的极化特性来存储数据，具有读写速度快、功耗低、非易失性等优点，在一些对读写速度和功耗要求较高的嵌入式系统中有应用。

在存储技术不断创新的浪潮中，磁性随机存储器（MRAM）作为一种新型存储技术脱颖而出。首先，它兼具非易失性和高速读写的特性。与传统的非易失性存储技术相比，MRAM的读写速度可以与内存相媲美，而又不像内存那样断电后数据丢失。这一特点使得MRAM在需要快速启动和数据持久保存的应用场景中具有巨大的优势。

其次，它的读写速度快。DRAM 的读写速度一般在 50 纳秒左右，而 NAND Flash 的读写速度通常在几百微秒到几毫秒之间。相比之下，MRAM的读写速度可以达到 10 纳秒以下。甚至，一些先进的MRAM产品的读取速度能够达到 2～3 纳秒，写入速度可低至 2.3 纳秒。

此外，MRAM具有低功耗的优点。与传统的 DRAM 相比，MRAM的功耗可以降低 50%～80%。这是因为 DRAM 需要不断地进行刷新操作以保持数据，而MRAM基于磁性材料的存储机制，不需要频繁的刷新操作。

最后，MRAM还具有与逻辑芯片整合度高的特点。这意味着可以将存储单元与逻辑电路紧密集成在同一芯片上，从而减小设备的体积、提高性能并降低成本。这种高度集成的特性为未来电子设备的小型化、智能化发展提供了新的可能性。

MARM的诞生记

MRAM的概念最早可以追溯到 20 世纪中叶。当时，科学家们开始探索利用磁性材料来存储数据的可能性。随着对磁性材料和电子学的深入研究，MRAM的基本原理逐渐被提出。

早期的设想是通过控制磁性材料的磁化方向来表示二进制数据，即 “0” 和 “1”。这种存储方式具有非易失性、高速度和低功耗等潜在优势，引起了科学界的广泛关注。

在早期的实验中，科学家们面临着许多挑战。其中一个关键问题是如何实现对磁性材料磁化方向的精确控制。由于磁性材料的磁化过程通常是随机的，因此需要找到一种有效的方法来定向磁化。此外，早期的MRAM实验还面临着存储密度低、读写速度慢和可靠性差等问题。

• 巨磁阻效应（GMR）带来的新契机

1988年，法国科学家阿尔贝・费尔（Albert Fert）和德国科学家彼得・格林贝格（Peter Grünberg）独立发现了巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance，GMR）。这一发现引起了科学界的轰动，并为MRAM的发展带来了重大的推动作用。

GMR 效应是指在磁性材料中，当磁场发生变化时，电阻会发生显著变化的现象。这一效应使得科学家们能够更加精确地检测磁性材料的磁化状态，从而提高了MRAM的读写速度和存储密度。此外，GMR 效应还为MRAM的制造提供了新的技术途径，使得MRAM能够更加容易地与传统的半导体制造工艺相结合。

在MRAM技术中，GMR 效应主要通过磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）来实现。MTJ 是由两个磁性层和一个绝缘层组成的三明治结构。当两个磁性层的磁化方向平行时，电阻较低；当两个磁性层的磁化方向反平行时，电阻较高。通过检测 MTJ 的电阻变化，可以实现对磁性材料磁化状态的读取。同时，通过施加外部磁场或电流，可以改变磁性层的磁化方向，从而实现对数据的写入。

此后，在GMR效应的基础上发展起来的一种新型磁阻效应——隧穿磁阻效应（Tunneling Magnetoresistance，TMR）。与 GMR 效应相比，TMR 效应具有更高的磁阻变化率和更低的功耗。

MgO基磁性隧道结示意图 来源：物理学报《MgO基磁性隧道结温度-偏压相图的理论研究》

MgO基磁性隧道结示意图 来源：物理学报《MgO基磁性隧道结温度-偏压相图的理论研究》

TMR 技术的发展历程可以追溯到 20 世纪 90 年代。当时，科学家们开始研究如何利用隧穿效应来提高磁阻变化率。经过多年的努力，他们终于在 21 世纪初取得了重大的突破。其中一个关键突破是开发出了一种新型的磁性隧道结结构，即 MgO 基磁性隧道结。这种结构具有很高的磁阻变化率和良好的温度稳定性，为MRAM的商业化应用奠定了基础。此外，科学家们还开发出了一些新的制造工艺和技术，如自对准工艺和垂直磁化技术，以提高MRAM的性能和可靠性。

• MRAM开始商业化

随着 TMR 技术的不断发展和成熟，第一个商业化的MRAM产品终于在 2006 年诞生。这个产品是由飞思卡尔半导体（Freescale Semiconductor，现为恩智浦半导体 NXP Semiconductors 的一部分）推出的，它采用了 180nm 的 CMOS 工艺制造，具有 4Mb 的存储容量和 35ns 的读写速度。这个产品的诞生标志着MRAM技术正式进入了商业化阶段。

这一时期，MRAM的技术持续改进，例如在存储容量、读写速度、工作温度范围等方面不断提升。Everspin 公司推出了具有 SRAM 速度和闪存结构的非易失的 Toggle-MRAM，其 16 位 32MB 并行MRAM具有最高 35ns 的写入周期时间，工作温度范围为 -40~125°C，适用于工业和汽车应用。

随着半导体制造工艺的不断进步，MRAM开始向更先进的技术节点发展。例如，2017 年，Everspin 公司大批量生产了 256MB DDR3 STT-MRAM，并集成了 40nm CMOS；2019 年，该公司又批量生产了 28nm CMOS 上的 1GB DDR4 STT-MRAM。

半导体行业内的各大厂商、科研机构之间的合作不断加强，共同推动MRAM技术的发展和商业化应用。例如，三星与意法半导体在 2014 年签订 28nm FD-SOI 技术多资源制造全方位合作协议，为MRAM的商业化应用提供了技术支持。

请近年几款MRAM芯片

现在，MRAM家族包括了自旋转移扭矩 (spin-transfer torque ：STT)、自旋轨道扭矩 (spin-orbit torque：SOT)、电压控制（VCMA-和 VG-SOT）和domain-wallMRAM。

MRAM的未来发展趋势

MRAM市场趋势

Yole Development分析称，到2024年，MRAM的市场规模将增加40倍，制造工艺将减少到16nm，存储容量则会从1Gbit增加到8Gbit。国际上的半导体巨头如英特尔、三星、台积电等都在积极投入MRAM的研发。

• 台积电

今年1月，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%。目前台积电已经成功开发出22纳米、16/12纳米制程的MRAM产品线，并在内存、车用市场获得大量订单。

• 三星

2021年，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。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%。

2022年12月，三星电子在著名的微电子学会议IEEE国际电子器件会议（IEDM）上，发表了题为“World-most
energy-efficientMRAMtechnology for non-volatile RAM applications（适用于非易失性 RAM 应用的业界最强能效MRAM技术）”论文，描述了基于三星28纳米和14纳米逻辑制程节点的nvRAM产品技术。

来源：三星

具体而言，增强型磁隧道结（MTJ）的堆叠工艺技术，显著降低了写入错误率（WER）。MTJ也从28纳米节点，缩小到14纳米FinEFT工艺，面积缩小了33%。该尺寸芯片规模，允许在同一晶圆上生产更多芯片，从而产生更多裸芯片（net dies）。此外，读取周期时间加快了2.6倍，16Mb封装尺寸缩小至业界最小的商用尺寸30mm。该解决方案能在-25℃下提供超1E142次循环的近乎无限耐用性。但最重要的成就，是在 54MB/s 带宽下，主动读取和写入功耗分别为 14mW 和 27mW的业内一流能效。

• 英特尔

英特尔宣布其MRAM已经准备好大规模量产，采用了成熟的 22nm FFL FinFET 制造工艺，良品率超过了 99.998％。但关于具体投入规模量产的时间以及用于何种产品之上，尚未给出更详细的说明。

英特尔研究的MRAM每个存储单元的面积为 0.0486 平方微米、容量7MB，读取时间0.9V电压下4纳秒、0.8V电压下8纳秒，写入时间 -40℃下为10微秒，写入寿命不低于一百万次，标准耐受温度范围-40℃到125℃。

• Everspin

作为较早推出MRAM产品的公司，Everspin不断推进产品的迭代升级。继 2012 年发布第一代 STT-MRAM（自旋转移矩磁阻内存）后，又推出了采用 GlobalFoundries 28nm 制造工艺的第二代 STT-MRAM，并封装于 DDR4，支持8-bit或者16-bit界面，传输率1333MT/s（667MHz），容量增大到了1GB（128MB）

Everspin MRAM产品已经渗透到包括计算机内存、航空航天、工业自动化、汽车电子、医疗等多个领域。

国内方面，诸多高校如中科院、清华大学、复旦大学、电子科技大学、北京航空航天大学等在MRAM相关的基础研究方面也取得了一定成果。

北京航空航天大学集成电路学院自旋芯片团队长期围绕自旋电子学开展交叉学科研究。2018 年成功研制出基于单原子层钨的双界面型MTJ器件，获得了 249% 的隧穿磁阻率（TMR），这一成果仍保持着MRAM芯片TMR指标的世界最高纪录。该团队提出的双界面型MTJ器件结构已成为产业界高度认可的主流路线。

来源：北京航空航天大学

2022年，该团队在国际上首次实现了写入速度达到10皮秒（10⁻¹¹s）量级的新型磁隧道结器件，在写入速度方面超越现有磁存储芯片原型器件技术1 - 2个数量级。

中国科学院微电子研究所的微电子器件与集成技术重点实验室自2019年设立磁存储及自旋电子器件研究方向，主要集中在从物理机理的角度解决限制MRAM发展的关键技术问题。例如在2023年，该研究所开发了一种基于垂直磁各向异性SOT - MTJ的刻蚀 “停 MGO” 工艺，解决了 SOT -MRAM制造中的刻蚀短路问题，提高了器件的良率和关键参数的均匀性。

同时国内也有许多新兴的存储芯片企业正在加大对MRAM的研发投入。致真存储（北京）科技有限公司成立于2019年，研发团队在自旋存储芯片领域深耕近十年。是国内唯一具有SOT-MRAM完整知识产权和8英寸研发、中试、量产线的厂商，成功研发国内首个80nm以下MRAM核心器件，成为行业领先的前沿科技创新企业。该公司已获得中科创星、普华资本、中电海康等多方战略投资，并计划建设 8 英寸和 12 英寸的新一代存储芯片生产线。

深圳亘存科技有限责任公司成立于 2019 年，是国内目前唯一专注于围绕磁性随机存储器（MRAM）技术进行相关芯片产品设计开发和销售的Fabless企业。其针对边缘侧、端侧的智能化需求，布局了 “独立式MRAM存储芯片” 和包含嵌入式MRAM的 “AISOC 芯片” 两条核心产品线。

2021 年收获一款定制芯片的独家订单，且客户很快追加了第二款定制产品。截至 2021年，公司有一款首次集成了超过 200MB 的MRAM芯片正在等待送样测试，还有两款客户定制的芯片已经流片并计划次年量产，另外还有两个基于MRAM的近存、存内计算的在研项目。

浙江驰拓科技有限公司在MRAM领域取得了显著进展。B 轮融资 12 亿元，募集资金将用于系列化产品开发、技术能力提升、工艺平台优化、市场开拓和行业资源整合，进一步加速研发和产业化进程，引领新型存储行业科技创新，完善MRAM产业生态布局。该公司拥有 12 英寸新型存储芯片中试线，成功开发独立式存储芯片和嵌入式 IP 等系列产品，并可提供 90/40/28nm 多个先进工艺节点下的芯片设计、工艺研发、流片、测试分析等全方位服务。

结语

MRAM的出现，为存储技术的发展注入了新的活力。

未来，MRAM与其他存储技术的融合将是未来的一个重要发展方向。例如，将MRAM与动态随机存储器（DRAM）、闪存（Flash）等结合，可以充分发挥各种存储技术的优势，实现性能、容量和成本的最佳平衡。例如，在移动设备中，可以将MRAM作为高速缓存，与 DRAM 和 Flash 组成混合存储系统，提高设备的性能和续航能力。

此外，MRAM还可以与人工智能芯片结合，实现存算一体的架构，提高人工智能算法的运行效率。例如，在图像识别、语音识别等领域，存算一体的人工智能芯片可以实现更高的性能和更低的功耗。

在当今信息时代，存储技术的重要性不言而喻。让我们共同期待MRAM这匹 “黑马” 在存储领域的精彩表现。