文｜半導體產業縱橫
存儲技術發展更迭50年，逐漸形成了SRAM、DRAM及Flash這三大主要領域。但是隨著半導體制造技術持續朝更小的技術節點邁進，傳統的DRAM和NAND Flash開始面臨越來越嚴峻的微縮挑戰；再加上由于這些存儲技術與邏輯計算單元之間發展速度的失配，嚴重制約了計算性能和能效的進一步提升。
因此，業界開始對新型存儲技術寄予厚望，越來越多的新型技術迅速涌現。
目前主流的新型存儲器主要包括四種：阻變存儲器（ReRAM/RRAM），相變存儲器（PCRAM），鐵電存儲器（FeRAM/FRAM），磁性存儲器（MRAM）。其中MRAM正在成為當下主流的新型存儲技術，并且有專家預言，MRAM將帶來下一波的存儲浪潮。
01、MRAM的特點
MRAM是一種兼具DRAM和Flash特點的存儲介質，以下是MRAM的一些具體特質。
非易失：鐵磁體的磁性不會由于斷電而消失，故MRAM具備非易失性。
讀寫次數無限：鐵磁體的磁性不僅斷電不會消失，而是幾乎可以認為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無限次重寫。
寫入速度快、功耗低：MRAM的寫入時間可低至2.3ns，并且功耗極低，可實現瞬間開關機并能延長便攜機的電池使用時間。
和邏輯芯片整合度高：MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，甚至可以實現2~3層單元疊放，故具備在邏輯電路上構造大規模內存陣列的潛力。
02、和其他存儲相比，MRAM強在哪兒？
與SRAM相比，MRAM速度稍慢，但MRAM在速度上仍然具有足夠的競爭力，此外SRAM的設計更復雜，MRAM的密度更高，以及MRAM是非易失性的，而SRAM是易失性的，斷電就會丟失數據，MRAM則不會面臨這種困擾。
與 DRAM相比，由于DRAM需要電容器充電/放電來完成讀寫，所以MRAM的讀/寫速度更快，在密度上MRAM和DRAM相似，但DRAM也是一種易失性存儲器。此外，MRAM的單元泄漏較低；與經常刷新數據的DRAM相比，MRAM的電壓要求也比較低。
與Flash相比，MRAM 與Flash同樣是非易失性的，但是MRAM在耐高溫、數據保存，尤其是操作耐久度上，優于Flash。要知道MRAM具備寫入和讀取速度相同的優點，并具有承受無限多次讀寫循環的能力。
與ReRAM相比，ReRAM隨機讀寫速度優于傳統存儲器，但要慢于MRAM和FRAM；同時ReRAM的讀寫次數約在100萬次左右，較傳統存儲器有數量級的增加，但少于MRAM的讀寫次數；其中密度和相應的成本是ReRAM的最大優勢；從成本方面看，MRAM由于材料的復雜性、密度瓶頸、抗磁干擾等難點，其成本會較高。
與FeRAM相比，MRAM與其性能較為類似，但FeRAM的讀寫速度要優于MRAM，且可以保持較低的功耗，FRAM的劣勢則在于，其成本比MRAM還要高，所以它可以應用于一些非常特殊的市場。
PCRAM也是未來十年內最具潛力的新型存儲技術之一。PCRAM 具有容量大、集成度高、速度快、功能低和成本低等優點，特別是與新型 CMOS 工藝兼容。不過PCRAM也存在著一些明顯不足之處，特別是寫操作速度無法與DRAM相媲美，寫耐久性也與DRAM相差較大等。寫耐久性差是將其大規模應用于計算機系統所面臨的主要障礙之一，目前國內外研究人員正在研究一些解決方案來應對。就目前來說，PCRAM的商業化程度還沒有MRAM高。
當然，MRAM也并非沒有缺點，它還面臨很多的挑戰，比如真實器件材料體系復雜、開關比低，CMOS工藝要完全匹配等。此外，MRAM的發展仍然遇到動態功耗、能量延遲效率和可靠性方面的瓶頸。
當下的 MRAM 家族成員包含三類：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）。
在非易失性存儲器的其他有前景的選擇中，STT-MRAM長期以來一直是上層高速緩存存儲器（L3 及以上）和內存中非易失性計算的競爭者，這種存儲器變體使用自旋極化電流通過隧道結將磁化強度轉移到存儲器單元。因此，STT-MRAM 的能耗比通過感應電磁場進行記錄的傳統 MRAM 存儲器的能耗低幾倍。
SOT-MRAM是從更成熟的自旋轉移矩STT-MRAM演變而來的，由于具有更好的耐久性和兩個二進制狀態之間更快的切換速度，因此具有更好的緩存應用前景。
STT-MRAM (左) vs. SOT-MRAM (右)（來源：清華大學）
STT-MRAM和SOT-MRAM之間的主要區別在于寫入所用的電流注入幾何結構。STT-MRAM中的電流是垂直注入MTJ的，SOT-MRAM的電流注入則發生在平面內，在相鄰的SOT層中——典型情況是像鎢(W)這樣的重金屬層。因此SOT-MRAM中的讀寫路徑是去耦的，顯著提高了器件的耐久性和讀取穩定性。平面型電流注入則消除了STT-MRAM工作時的開關延遲。2018年，imec首次展示了開關速度快至210ps的高可靠性SOT-MRAM，這種器件具有增強的耐久性(＞5×1010的開關周期)和300pJ的運行功耗。
03、芯片巨頭研究進程
目前臺積電、英特爾、三星、格芯、聯電等各大芯片廠商對于MRAM的布局，研發以及生產都在如火如荼地展開。
臺積電SOT-MRAM技術問世，功耗僅為STT-MRAM的1%
早在2002年，臺積電就與中國臺灣工研院簽訂了MRAM合作發展計劃。2018年，臺積電進行了eMRAM芯片的“風險生產”，2019年生產采用22nm制程的eReRAM芯片。
在ISSCC 2020上，臺積電又發布了基于ULL 22nm CMOS工藝的32Mb嵌入式STT-MRAM。該技術基于臺積電的22nm ULL（Ultra-Low-Leakage）CMOS工藝，具有10ns的極高讀取速度，讀取功率為0.8mA/MHz/bit。對于32Mb數據，它具有100K個循環的寫入耐久性，對于1Mb數據，具有1M個循環的耐久性。它支持在260°C下進行90s的IR回流焊，在150°C下10年的數據保存能力。它以1T1R架構實現單元面積僅為0.046平方微米，25°C下的32Mb陣列的漏電流僅為55mA。
臺積電研發STT-MRAM解決方案主要是用來克服嵌入式閃存技術的擴展限制。之后臺積電又成功開發出22納米和16/12納米工藝的MRAM產品線，并獲得了大量來自內存和車用市場的訂單。除此之外，臺積電還在積極探索SOT-MRAM和VC-MRAM，并與外部研究實驗室、財團和學術合作伙伴合作。
2022年6月，中國臺灣工研院與臺積電合作開發的低壓電流SOT-MRAM，具有高寫入效率和低寫入電壓的特點，其SOT-MRAM實現了0.4納秒的寫入速度和7萬億次讀寫的高耐久度，還可提供超過10年的數據存儲壽命。
就在近日（1月18日），臺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，標志著在下一代MRAM存儲器技術領域的重大突破。這一創新產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%。
工研院與臺積電的合作使得SOT-MRAM在工作速度方面達到10ns，進一步提高了存內運算性能，成功跳出了MRAM的傳統局限。這次SOT-MRAM的推出將進一步鞏固臺積電在存儲芯片領域的市場地位。
這一突破性技術的應用領域廣泛，特別適用于高性能計算、人工智能、車用芯片等領域。隨著AI、5G時代的到來，對更快、更低功耗的新一代存儲芯片的需求不斷增加，而SOT-MRAM正好迎合了這一趨勢，成為應對未來科技挑戰的重要利器。
三星發布業內首個基于 MRAM的存內計算芯片
三星幾乎與臺積電同時出手，2002 年三星宣布開始MRAM的開發計劃。2005年三星又率先開始了STT-MRAM的研發，該技術后來被證明可以滿足高性能計算領域對最后一級緩存的性能要求，被認為是突破利基市場的利器。
然而由于成本和工藝的限制，讓三星的MRAM研發逐漸走向低調，在這期間，與FinFET技術齊名的FD-SOI，在以Leti、Soitec、意法半導體為代表的歐洲半導體科研機構和公司相繼迎來技術突破，快速發展。
2014 年，三星與意法半導體簽訂 28nm FD-SOI 技術（一種與 FinFET 齊名的技術）多資源制造全方位合作協議，授權三星在芯片量產中利用意法半導體的 FD-SOI 技術。當年，三星成功生產出 8Mbe MRAM，并利用 28nm FDS，在 2019 年成功量產首款商用 eMRAM。2020 年，三星首批基于 eMRAM 的商用產品上市，由其制造的 Sony GPS SoCs(28nm FDSOI) 被用于華為的智能手表，以及由臺積電采用 22nm 超低漏電制程 (ULL) 制造的 Ambiq 低功耗 MCU。
2022年10月，三星研究人員在14nm FinFET邏輯工藝平臺上實現了磁性隧道結堆疊的磁阻式隨機存取存儲器制造，據稱是目前世界上尺寸最小、功耗最低的非易失性存儲器；這一樣品數據寫入僅消耗每比特25pJ，讀取時有功功率要求為14mW，以每秒54Mbyte的數據速率寫入的有功功率要求為27mW，與該公司上一代28nm節點的MRAM相比，讀取時間加快了2.6倍。該研究的目標之一是證明嵌入式MRAM作為高速緩存存儲器適用于依賴大型數據集和分析的應用程序，例如邊緣AI。
近日，三星電子在頂級學術期刊 Nature 上發表了全球首個基于MRAM的存內計算研究。
存內計算無需數據在存儲器和處理器間移動，大大降低了 AI 計算的功耗，被視作邊緣 AI 計算的一項前沿研究。雖然 MRAM 存儲器件具備耐用性、可大規模量產等優勢，但其小電阻的特性阻礙了這類存儲器被用于存內計算。本次，三星電子的研究團隊通過構建新的 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別和人臉檢測等 AI 算法，準確率分別為 98% 和 93%。
在歐洲舉行的SFF 2023上，三星宣布了革新下一代汽車技術的愿景，并計劃開發三星首款5納米eMRAM。除了到2024年推出14納米eMRAM外，公司還計劃進一步擴大eMRAM產品組合，到2026年推出8納米，到2027年推出5納米。對比14納米制程，8納米eMRAM有望將密度提升30%，速度提高33%。
多家布局22nm STT-MRAM
英特爾也是 MRAM 技術的主要推動者，該公司采用的是基于 FinFET 技術的 22 nm 制程。2018 年底，英特爾首次公開介紹了其 MRAM 的研究成果，推出了一款基于 22nm FinFET 制程的 STT-MRAM，當時，該公司稱，這是首款基于 FinFET 的 MRAM 產品，并表示已經具備該技術產品的量產能力。
2019年，Everspin與晶圓代工廠格芯合作，試生產28nm 1Gb STT-MRAM產品；2020年3月，雙方宣布已將聯合開發的STT-MRAM器件的制造，擴展至12 nm FinFET平臺，通過縮小制程有助于雙方進一步拉低1 Gb芯片成本。Everspin在數據中心、云存儲、能源、工業、汽車和運輸市場中部署了超過1.2億個MRAM和STT-MRAM產品。
2022年6月，瑞薩宣布已開發出用于STT-MRAM測試的電路技術使用 22nm工藝制造的具有快速讀寫操作的芯片。
2018年聯電與Avalanche Technology 宣布建立合作伙伴關系，共同開發和生產 MRAM，以取代嵌入式閃存。2022年，聯電宣布與Avalanche Technology合作推出22納米STT-MRAM，將應用于航天等領域。
04、MRAM的主要應用市場
MRAM在邊緣方面展現出獨特的優勢。邊緣計算在工業物聯網、機器人、可穿戴設備、人工智能、汽車以及便攜式設計等領域的應用正在不斷增長。伴隨著這些增長的是大家對高速、低延遲、非易失性、低功耗、低成本內存（用于程序存儲和數據備份）的需求。
雖然有許多可用方案，包括 SRAM、DRAM、閃存等,但這些技術都需要在一個或多個領域進行權衡，這對于邊緣計算來說，它們似乎都不太適合。MRAM 將數據存儲在磁存儲單元中，提供真正的隨機訪問，并允許在內存中隨機讀寫。此外，MRAM 結構和操作具有低延遲、低泄漏、高寫入周期數和高保持率等特點，而這些恰恰都是邊緣計算非常需要的。
此外，MRAM是實現存算一體的理想存儲器之一。到目前為止，多種存儲器介質被研究用于構建存算一體系統。SRAM和DRAM是易失性器件，頻繁的刷新并不利于降低功耗。而Flash雖然是非易失性的，但是隨著讀寫次數增加，浮柵氧化層會逐漸失效，反復讀寫可靠性很低。因此，各種基于電阻改變的新型存儲器是實現存算一體的有效載體。
MRAM則是基于對電子“自旋”的控制，可以達到理論上的零靜態功耗，同時具有高速和非易失性以及近乎無限的寫入次數。MRAM在速度、耐久性、功耗這些方面具有不可替代的優越性。因此，MRAM是實現存算一體的理想存儲器之一。
05、取代DRAM和NAND？
隨著科技的飛速發展，人們對電腦硬件的要求也越來越高。現在，許多人想要替換掉他們電腦中的內存和硬盤，因為它們并非最先進的技術。它們要么在斷電時丟失數據，要么存儲速度較慢。
從目前來看，MRAM似乎是那個給內存市場帶來驚喜的寵兒。因為MRAM結合了SRAM的速度、DRAM的密度和閃存的非易失性。
不過，也要理性看待這項技術。
Rambus Labs高級副總裁 Gary Bronner 曾為此做過解釋：“如今幾種新興內存技術已經發展到可以生產 Mb 到 Gb 密度的水平，其中包括相變存儲器，例如 PCM 或 3D Xpoint、MRAM 和 ReRAM。然而，為了取代 DRAM，這些存儲器需要具有與 DRAM 相似的性能，但成本要更高。目前還沒有一種新興存儲器能夠證明取代 DRAM 所需的成本和性能。MRAM正在尋找嵌入式閃存的替代品，其中 MRAM 是性能更高、成本更高的選擇。”
總體來說，MRAM距離技術成熟還有一定距離，同時還未凸顯成本優勢，加之其它新型存儲技術也在發展之中，只能說MRAM是現在最有希望的那一個，至于全面取代DRAM或者NAND，MRAM還有很長的路要走。