存儲技術兜兜轉轉再回“磁”上，MRAM為何能裝得下海量數據？

當今世界85%的信息被保存在硬盤中，你有沒有想過有那么一天，即便塞爆硬盤，也存不下來現在的數據？

很難想象，1971年到1996年人們還在使用只有1.44MB的磁性軟盤。現在，雖然NAND Flash稱王，人們能存得越來越多，讀取得也越來越快，但也愈遇瓶頸。隨著制程技術愈發逼近1nm，硬盤容量提升越來越難，人們不斷把硬盤內的NAND Flash芯片“堆高高”，從另一個維度提升硬盤容量。

但技術瓶頸依然存在，此時就需要新的技術，備受矚目的技術，便是MRAM（磁阻存儲器）。對，沒錯，人們兜兜轉轉又將希望放到了“磁”上。

新時代的王

其實，除了我們熟知的內存（DRAM）和SSD（NAND Flash），科學家和業界一直都想換掉你電腦里的內存和硬盤，因為它們并非完美的技術，要么斷電丟失數據，要么存得比較慢。

為此，新型存儲便橫空出世。新型存儲器主要包括4種：阻變存儲器（ReRAM/RRAM），相變存儲器（PCM），鐵電存儲器（FeRAM/FRAM），磁性存儲器（MRAM）。

MRAM就是新型存儲中非常重要，且離產業很近的一種，簡單說，就是更強更快。不過，存儲界并不存在什么六邊形戰士，所以都是看應用需要什么，選擇什么技術。

MRAM是一種非易失性存儲技術，它被稱為“全能手”，顧名思義，是因為MRAM什么都會做一些。

SRAM雖快，但容量極低；DRAM結構簡單，但也被易失性所困；非易失性、大容量的Flash則耐久有限，同時隨著制程逐步逼近極限而無限觸碰極限。

而MRAM有著介于SRAM和DRAM兩種易失性存儲技術之間的速度和面積，同時擁有讀寫次數無限、寫入速度快、功耗低、抗輻射和邏輯芯片整合度高的特點。此外，目前MRAM實驗室耐溫可達-40℃~150℃，覆蓋了車規芯片的-40℃~120℃。

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。

與傳統的RAM不同，MRAM不以電荷或電流存儲數據，而是由磁性隧道結MTJ (Magnetic tunnel junction）磁性存儲數據。

現在，MTJ存在各種各樣的結構，這也是MRAM復雜所在。

目前，MRAM分為三代：第一代為MRAM，叫做磁場的驅動型MRAM；第二代為STT-RAM（自旋轉移扭矩），通過通入垂直于隧道結的電流使得磁矩發生翻轉；第三代MRAM技術分為兩種，分別為通過在重金屬層中通入面內電流使得磁矩發生翻轉的叫自旋軌道矩MRAM（SOT-MRAM）和通過施加電壓改變磁各向異性使得磁矩發生翻轉的叫做壓控磁各向異性MRAM（VCMA-MRAM或MeRAM）。

MRAM發展已有很長的歷史，在IoT嵌入式存儲領域擁有諸多應用，近年來基于自旋矩轉移的STT-MRAM成為了主流，同時第三代的SOT-MRAM正在逐漸產業化。

MRAM的應用場景主要是取代現有的一些存儲技術。比如說，可以用于替代DRAM或者SRAM，使其在斷電情況下也能保存數據，MRAM在讀寫速度與耐久度方面有明顯的優勢。

工業領域，應用需要具有非常快的寫入能力，且需要非易失性存儲，但NAND、NOR和 EEPROM寫入慢，耗電多，還要額外搭配電池的SRAM，此時MRAM的優勢就體現出來了。

在自動駕駛、AI興起的現如今，對存算都要求計算更快，算力更強，這就需要讓存儲器嵌入到處理芯片（如MCU），從而以極短數據傳輸距離（納米~微米量級）實現近內存計算。

MRAM在工藝上與CMOS高度兼容，可拿出一個金屬層做MRAM而把其他金屬層做處理器及邏輯電路，易于實現納米~微米量級的極短數據傳送距離，從而使AI計算的算力按數量級提升。所以自動駕駛儀和車載電子都是MRAM極好的應用場景。

新型磁阻材料展現出MRAM潛力

東北大學的一組研究人員推出了一種具有巨大磁阻的新材料，為非易失性磁阻存儲器(MRAM)的發展鋪平了道路。

隧道磁阻器件利用隧道磁阻效應來檢測和測量磁場。這與磁隧道結中鐵磁層的磁化有關。當磁鐵對齊時，會觀察到低電阻狀態，電子可以很容易地穿過它們之間的薄絕緣屏障。當磁體未對齊時，電子的隧穿效率會降低并導致更高的電阻。這種電阻變化表示為磁阻比，這是決定隧道磁阻器件效率的關鍵指標。磁阻比越高，器件越好。

電流隧道磁阻器件包括氧化鎂和鐵基磁性合金，如鐵鈷。鐵基合金在環境條件下具有體心立方晶體結構，并且在具有巖鹽型氧化鎂的器件中表現出巨大的隧道磁阻效應。

有兩項使用這些鐵基合金的顯著研究，它們產生了顯示高磁阻比的磁阻器件。第一次是在2004年由日本國立先進工業科學技術研究所和IBM合作；第二次發生在2008年，當時東北大學的研究人員報告稱，室溫下的磁阻比超過600%，當溫度接近零開氏溫度時，磁阻比躍升至1000%。

自這些突破以來，各研究所和公司在珩磨設備的物理、材料和工藝方面投入了大量精力。然而，除了鐵基合金之外，只有一些赫斯勒型有序磁性合金顯示出如此巨大的磁阻。

日本東北大學的Tomohiro Ichinose博士和Shigemi Mizukami教授最近開始探索熱力學亞穩態材料，以開發一種能夠表現出類似磁阻比的新材料。為了做到這一點，他們專注于鈷錳合金的強磁性，這種合金具有體心立方亞穩晶體結構。

Mizukami說：“鈷錳合金具有面心立方或六方晶體結構，作為熱力學穩定相。由于這種穩定相表現出弱磁性，因此從未將其作為隧道磁阻器件的實用材料進行研究。”

早在2020年，該小組就報道了一種使用具有亞穩態體心立方晶體結構的鈷錳合金的設備。

他們利用數據科學和/或高通量實驗方法，在這一發現的基礎上，通過在亞穩體心立方鈷錳合金中添加少量鐵，成功地在器件中獲得了巨大的磁阻。磁阻比在室溫下為350%，在低溫下也超過1000%。此外，器件制造采用了濺射法和加熱工藝，這與當前的行業相兼容。

Mizukami補充道，我們已經生產了第三種用于隧道磁阻器件的新型磁性合金，顯示出巨大的磁阻，它為未來的改進設定了另一個方向。


未來市場潛力超百億

隨著可穿戴設備使用量的增加，5G、物聯網(loT)和云服務等技術的發展，以及對內存更大、啟動時間更快的先進計算系統的需求不斷增長，這一市場正在發展。隨著數字化不斷改變行業，全球對尖端存儲解決方案的需求也在上升。

磁阻隨機存儲器(MRAM)是一項很有前景的技術，因為它提供了快速、非易失性的存儲能力。磁阻隨機存儲器 (MRAM)適用于廣泛的應用，包括可穿戴技術、物聯網(loT)設備和高端計算系統，因為它即使在斷電時也能保持數據。這些技術的使用越來越頻繁，這增加了對磁阻隨機存儲器 (MRAM)作為可靠和有效的存儲解決方案的需求。

磁阻隨機存儲器 (MRAM)市場預計將大幅擴大，到2031年預計價值將達到191.893億美元，從2021年到2031年的復合年增長率將達到36.6%。

國內能把握新機會嗎？

MRAM無疑是具備“錢景”的。許多專家都預言，MRAM將帶來下一波存儲浪潮。

Menafn報道顯示，MRAM市場將從此刻開始爆發，到2031年預計價值將達191.893億美元，2021年~2031年復合年增長率將達36.6%。車用市場、物聯網市場都是MRAM成長動能最高的領域。

Yole Developpement預測，2020年~2026年間，整體新興非揮發性內存（NVM）市場的年復合成長率約為44%，隨著新興嵌入式NVM技術顯著成熟，預估2026年eMRAM市場規模為17億美元，約占整體新興eNVM市場的76%。

磁存儲器中國探索較早，早在50年代末到60年代初，國內就掀起了存儲技術產業化的研發，雖然彼時沒有MRAM這樣的概念，但當時仿制蘇聯計算機的磁芯存儲技術可以稱作是最早的MRAM。

根據EEworld不完全統計，磁宇信息、馳拓科技、興芯存儲、凌存科技、致真存儲、亙存科技幾家表現值得關注，其中尤其后三家公司在最近擁有諸多動作。

2023年8月，致真存儲自主研發的128Kb SOT-MRAM 芯片成功下線，是繼1Kb SOT-MRAM流片成功后又一個重要的新一代磁存儲技術工藝研制里程碑，圍繞自旋軌道矩材料、磁性隧道結圖案化、專用電路設計等實現多處技術突破；

亙存科技針對邊緣側、端側的智能化需求，圍繞“存儲-計算-控制”布局“獨立式MRAM存儲芯片”和包含嵌入式MRAM的“AI SoC芯片”兩條核心產品線，為消費、工業、物聯網、汽車等領域的客戶提供具備競爭力的高能效、智能化單芯片系列解決方案。其中，AI SoC的“超低功耗”版本運行功耗低至5uA/MHz，達到國際一流水平，可為廣大電池供電的應用場景提供高性價比方案；

凌存科技已成功開發出世界首款高速、高密度、低功耗的存儲器MeRAM原型機和基于MeRAM的真隨機數發生器，其開發的高性能存儲芯片廣泛應用于車載電子、高性能運算、安全等領域，其還將存儲介質、集成電路、系統及相關專利授權給有高效性運算以及安全芯片需求的公司自行開發相關產品；

磁宇信息是擁有pSTT-MRAM專用12寸薄膜制造/測試設備和pSTT-MRAM專用12寸刻蝕設備的公司，國外MRAM主要應用在固態硬盤內，實現固態硬盤性能大幅度提升，這也是磁宇信息產品的起點；

馳拓科技也已經有客戶進行了量產，為嵌入式非易失性存儲，用于MCU/SOC和慢速SRAM；

珠海興芯存儲（珠海南北極科技全資子公司）NV-RAM規格的MRAM技術，是國內第一家達到此規格的廠商，未來量產后可取代目前市場上由外商供應昂貴的FRAM、電源供應SRAM（BatteryBackup SRAM），NVSRAM；

中國科學院物理研究所團隊則研制了一種磁矩閉合型納米環狀磁性隧道結，作為存儲單元的新型MRAM原型器件。

總結來看，傳統存儲器市場受挫，國產選擇了另辟蹊徑，這是一個還沒有那么“卷”的賽道。除此之外，MRAM的用途廣，不論從嵌入式還是自動駕駛、AI，它都能駕馭。不止如此，MRAM還能用在存算一體之中，引發更大的芯片革命。或許，國產可以從這里切開存儲市場壟斷的口子。


我們需要新的存儲技術

隨著需求的增加，DRAM和flash似乎已經無法跟上生成的大量數據的需求。每個公司似乎都有存儲層次結構的可視化表示，在這兩種技術之間有一些差距。這個問題只會變得更糟。

上圖:DRAM和NAND閃存之間可能存在多種非易失性內存技術。

分析師Mark Webb認為，DRAM將在未來五年內繼續擴展。但是，它的速度正在放緩，而DRAM易失的事實為數據丟失打開了大門。至少NAND存儲器具有持久性。但是隨著flash規模縮放，耐用性和性能會受到打擊。因此，確實沒有一種技術是理想的。

作為回應，業界正在努力尋找一種通用內存，這種內存能夠提供DRAM級的性能、數據持久性、無限的持久性以及比NAND的每比特成本更低。敬請期待。我們亟需一種新的存儲方法。

而我們也必須承認，我們上面討論的新興記憶中沒有一個符合所有這些條件，但兩者的結合將保持大數據的流動。不過隨著數據處理需求的增長，我們必須密切關注存儲類內存和內存類存儲之類的術語。在這些保護傘下，新出現的記憶將被分類，增強DRAM和NAND閃存。

而Energias Market Research預計，MRAM市場從現在到2025年將迅速增長，復合年增長率也將高達 49.6%，解釋這個市場容量將達到12億美元。Coughlin Associates預測，3D XPoint memory——Optane的核心技術——到2028年將把英特爾的收入提高到160億美元。我們也的確需要新的內存來解決即將到來的閃存、DRAM和SRAM的限制。

各大新興技術應該努力，因為未來也不一定只有一個贏家。