未来存储设备的希望？MRAM技术深入解析

　　最近，随着日本TDK新型存储技术产品的试产成功，MRAM技术又开始受到人们热议。从技术角度来看，MRAM技术是有助于替代目前的DRAM并支撑未来很长一段时间的应用需求的全新方案，而底层技术原理的差异也使得MRAM拥有了DRAM完全不一样的技术特性和优势。不过，作为一种全新的技术，MRAM的商业化在没有重大技术突破的情况下，可能要到2019年后才有希望。

　　在人们的印象中，晶体管行业一般只有做处理器的厂商才是高大上的，比如英特尔、高通、AMD等。虽然这代表了人们对“智能”的一种向往，但实际上存储行业可能更大程度上掌握着整个IT产业发展的脉络。简单举例来说，之所以目前的PC系统中从高速到低速存在寄存器、一级缓存、二级缓存、三级缓存、内存、SSD或者HDD这样一级级的存储序列，主要原因就是存储系统的速度远远跟不上其它硬件的发展需求。毫不夸张地说，一旦存储技术得到了突破，我们的PC、手机或者笔记本电脑，还将获得一次性能上的革命。

　　但技术的突破总是没有这么容易。目前，人们将关注的焦点集中在了非易失性存储设备研究上。非易失性存储设备的最大优势在于断电后数据不会丢失，同时由于目前研发的这些存储设备采用的新架构，新的非易失性存储设备的速度至少有望达到二级缓存（SRAM）或者DRAM级别，并且还有不小的进步空间。因此，一旦这类设备成熟并商业化，将给整个PC行业带来根本性、革命性的变化。

　　在所有正在研发的热门非易失性存储技术中，FeRAM、MRAM和OUM是最重要的三个研发方向。其中MRAM在近期获得了重大技术突破，已经试产样品，因此一时间很多目光都集中在MRAM上。那么，究竟什么是MRAM技术，它的技术本质是什么，具体产品又有什么特色，什么时候才能量产商业化呢？本文将和你一起来详细了解这些问题。

　　旋转吧！电子！

　　信息的存储和读取是一切计算设备的根本。在现代计算机架构中，人们设计了多级存储单元。其中最快的自然是用作一级缓存和寄存器等设备的SRAM（还有一些更快的存储方式，不过并不多见，因此本文也不做描述），SRAM的全称是Static Random-Access Memory，静态随机存储器，其特点是只要通电，数据就可随时保存。这和内存等所采用的DRAM不同，DRAM是Dynamic Random Access Memory也就是动态随机存储器的简称，DRAM在使用过程中存在漏电问题，因此需要固定时间刷新以保持数据。

　　SRAM是目前广泛使用的存储器中速度最快的一种，但是同时它的结构也比较复杂。最简单的一个SRAM包含了六个晶体管，此外也有八晶体管和十晶体管的设计—请注意，这里的一个SRAM只能存储1bit的数据，却需要耗费至少六个晶体管，存储效率低，资源耗费高。SRAM的优点也很明显，速度极快，功耗也不算很高。

　　虽然SRAM和DRAM已经伴随整个IT业界发展多年，但是随着工艺的不断下探，物理极限的逼近，人们似乎看到了SRAM和DRAM的极限即将到来。尤其是SRAM，由于其低下的存储效率，在处理器中甚至要占据大部分面积、耗费最多的晶体管，已经成为严重影响处理器等产品性能提升的关键之一。因此，如何在存储方式上加以改变，并使得整个存储行业产生本质的变化，就成为了很多研究人员关注的重点。

　　理论上来说，晶体管是通过控制电子产生空穴或填满的状态变化来得到不同的存储状态。其实电子还有其它的属性，比如由于“电子自旋学”的兴起以及研究，使得人们看到了电子的另外一层性质：磁性。

　　在传统认识中，电子处于粒子状态且具有质量，虽然量子物理学告诉我们电子是弥漫在空间的概率云，并无具体形态，但这并不妨碍同时利用电子的粒子性，比如自旋。所谓自旋，并非是电子绕着一根“轴”旋转，而是电子自己存在的旋转。由于电子带负电荷，因此这种旋转就带来了磁场，一个自旋态的电子就可以被看做一个磁偶极子，也有了磁场。

　　有了磁场，那么有关磁场的根本性质自然也有，那就是磁矩。电子存在磁矩并和自旋的方向相关。在自然条件下，电子的自旋方向杂乱且无规律，因此磁矩表现并不明显。但在一些特殊材料上，电子的磁矩可以在某些情况下被统一为一个方向，这样电子或者说这个材料就能表现出一定的磁性，这被称为Spin Transfer Torque，自旋注入磁化反转效应。

　　材料有了可随意控制的磁性后，就可以用于判断方向甚至是记录数据，当然，这里的根本问题在于，如何控制电子的自旋方向并且通过某种快速且简易的手段进行测量。在这一点上，物理学家和工程学家以及计算机学家们进行了深入的研究，他们提出了一个模型，在这个模型中，电子的自旋被自如的控制并产生了足以改变信息存储方式的磁场，这就是MRAM的技术核心。

　　MRAM的结构—三明治存数据

　　MRAM的全称是Magnetoresistance Random Access Memory，磁致电阻随机存储器。目前，MRAM的诸多研究中，已经可以开始生产的产品结构被称为STT-MRAM（Spin Transfer Torque Magnetoresistance Random Access Memory，自旋注入磁化反转磁致电阻随机存储器）。因此，本文的介绍也基于STTMRAM进行，简称为MRAM。

　　如果单看上文给出的名字：自旋注入磁化反转磁致电阻随机存储器，如此“高大上”的名称肯定让人眼晕。实际上，MRAM的结构并不复杂，原理也不难。它采用了类似三明治的结构。为了讲清楚它的工作原理，我们先了解一些特性：

　　1.磁电阻效应：这是指某些材料在强磁场下表现高电阻，弱磁场下表现低电阻（或者相反）。磁电阻效应在很多金属和半导体上都可看到，电阻率变化正负都有，常见的比如锑化铟、砷化铟等都是磁电阻效应比较明显的材料。

　　2.量子隧道效应：又称为势垒贯穿，是指电子在表现出波的性质的时候，有一定概率以波的方式越过势垒的效应。简单来说，就是在绝缘层极薄的情况下，它拥有一定的导电能力。

　　3.自旋注入磁化反转效应：这个效应前文提到了，也就是Spin Transfer Torque。

　　在了解各种效应后，理解MRAM的设计就不难了。如图3所示的MRAM三明治结构。上下两层磁体夹着中间的绝缘膜，其厚度大约几纳米，如此薄的绝缘膜使得量子隧道效应能很自如的展现出来。

　　除了绝缘层外，MRAM中可变磁方向的层（利用自旋注入磁化反转效应）被称为“自由层”，而固定不变的永磁体层被称为“参考层”。

　　当一个MRAM单元通电后，电流利用量子隧道效应，在自由层和参考层之间流动。当参考层的磁场方向和自由层相同时，磁场表现为叠加强磁场，电阻变低，电流变大；当两者方向相反时，磁场表现为互斥弱磁场，电阻变高，电流变小，相反的情况也可以。工程人员只需要测试电流的高低差值、或者电压差，就可以很自如的给出1和0两种状态定义，从而存储数据。

　　不仅如此，由于自由层的磁场方向改变是由于外部条件引发电子自旋方向改变，因此只要外部条件消失，电子自旋方向理论上会稳定持久的存在下去，这就意味着在完成了写入状态后，数据状态会被永久的保留。

　　从技术原理来看，MRAM似乎不难理解。但是它的理论知识却涉及相对论、量子力学等一些物理前沿学科。当然，在了解了结构之后，人们对MRAM还是抱有一定的疑惑：这东西，真的管用吗？

　　MRAM的优势—易制造、密度高、速度快、高耐久

　　相比目前的DRAM或者SRAM，MRAM的优势还是非常明显的。包括它的高可制造性、高数据密度、高速度、非易失性和耐久性等，都吸引着研发人员的目光。

　　高可制造性

　　MRAM是比较容易使用现有的工艺制造，这是由于其结构本身所决定的。在制造中，人们只需要在后端金属化过程中增加几步需要光刻掩膜板的工艺，即可完成MRAM的大规模制造。除此之外，MRAM和目前的晶体管相容性也非常不错，可以很方便地就嵌入到逻辑电路中。

　　MRAM的高可制造性使得全球各大厂商在推广MRAM的生产和研究方面充满了热情。毕竟不需要彻底更新现有设备就能实现全新一代存储颗粒的生产，简直再美好不过了。不仅如此，台湾的一些研究机构还针对MRAM的生产制造做出了一些改进。早期的MRAM采用的是横向水平排列，这样的工艺虽然可以完成，但是在体积上不太容易缩小。因此台湾的芯片制造商开始考虑使用垂直架构来完成产品的生产。目前的核心问题在于如何解决“电流不对称”上，所谓电流不对称，就是指将MRAM的自由层的磁场使用一定强度的电流固定在一个方向后，要使用更大的电流才能将其翻转至另一个方向。这样的情况带来了MRAM在使用和控制上的一些问题，比如能耗比降低、写入速度变慢等。目前对非对称问题的研究很多，很可能部分厂商已经在实验室中得到了完美解决。

　　高数据密度

　　所谓更小的面积，目前的数据是指相比SRAM，MRAM在同等面积下能够提供大约是SRAM两倍甚至四倍的容量。这个消息对很多处理器生产厂商来说可谓“天籁之音”，因为庞大的SRAM已经占据了太多的芯片空间。

　　有关这部分的详细数据，IBM和希捷在2009年的HPCA高性能计算机体系结构国际研讨会上有更详细的阐述。在IBM的数据中，如果使用65nmCMOS工艺制造SRAM和MRAM生产存储单元，那么SRAM的存储单元面积为146个单位面积，而MRAM只有大约40个单位面积。具体面积方面，MRAM能够在3.3平方毫米的面积中容纳512KB的数量，而SRAM在3.62平方毫米的面积中只能容纳128KB。更进一步的话，目前在CPU缓存中广泛使用16-way的L2SRAM配置方案，容量大概不超过2MB，但如果改用MRAM的话，这个容量将会达到8MB。

　　总的来看，MRAM得益于先天的结构优势，在数据密度方面有了比较大的提高。这有助于MRAM未来在CPU、GPU等场合的应用，更大的缓存可以存储更多的数据并显著提高计算效率，降低等待时间。

　　高速度

　　和所有的存储设备发展历程一样，早期的MRAM在完成了结构设计和优化后，所展示出来的速度并没有达到SRAM缓存的级别，甚至差距有一个数量级之多。但是这并不意味着MRAM没有改进的空间，相反它的速度进步空间极大。

　　前段时间在日本的高新技术

　　博览会上，TDK展示了MRAM的样品相比目前的闪存颗粒在速度方面的对比情况。根据TDK的现场数据，MRAM的速度达到了约342MB/s，每次读写耗时大约为35ns，用于对比的闪存速度只有48MB/s。MRAM的速度达到了传统闪存的大约7倍左右。考虑到未来多通道技术必将在MRAM上使用，使用目前的MRAM颗粒的成品读写速度甚至可以高达7GB/s甚至更高。不过也受制于现在的技术，TDK展示的MRAM容量只有1MB，位宽为16bit，在进一步提升容量和位宽后，MRAM的速度必将有着极大的提升。

　　英特尔在一次技术会议上发言指出，目前的MRAM在耐久性上的指标设计得太高，其实作为缓存来说，根本不需要如此高的磁稳定性来保持最高长达20年的耐久性，缓存的工作特性决定了它必须经常被刷新，因此完全有必要降低MRAM存储的耐久性来提升速度，比如持续7天耐久即可很好地满足目前的需求，而由于耐久性降低，对材料和磁场的要求都大幅度弱化，MRAM的速度还会有进一步的提升。

　　非易失性和耐久性

　　易失性是目前所有SRAM和DRAM的特点，断电数据就会立刻丢失。如果MRAM等存储设备投入使用后，在没有重大的导致软件崩溃的错误出现的情况下，开关电脑就像开关电灯、电视机那样简单，随开随用，大大节约了时间。不仅如此，MRAM的耐久性也得到了很多厂商的青睐。MRAM目前展示出来的耐久性数据是125摄氏度环境下可以保持数据20年—显然很多用户根本不需要如此长的存储时间。因此，在耐久性上，MRAM给人们非常好的答案。

　　MRAM的生产—漫漫长路

　　前文介绍了如此多MRAM的优势，那么我们什么时候才能使用到它呢？最乐观的消息是2018至2019年，人们可以看到MRAM在一些小尺寸移动设备上的商用，如果要大规模使用MRAM，至少需要等到2020年之后了。

　　MRAM目前的根本问题并非在于厂商不愿转产，而是虽然理论技术问题已经基本解决，但在工程和材料上还有很长一段路要走。受制于材料问题，MRAM的两种状态差异之前并不明显，甚至只有30%，一旦出现扰动等问题的话，数据存储失效的可能性就很大了，经过长时间的努力，状态差值扩大到了70%，能够明显区分不同的数据，但依旧需要进一步加强。此外，MRAM的功耗问题也值得关注，虽然MRAM的待机功耗表现令人满意，甚至只有SRAM的几分之一，但即使是改进后的STT-MRAM，其写入功耗表现依旧不算太理想，还有很大的调整空间。

　　除此之外，MRAM目前展示的产品容量都太小，厂商可能在高容量的MRAM上遇到了难题，比如如何精确地控制每个单元、擦写单元的速度同步等，都需要工程师们漫长的调整和突破后才能看到进一步的进展。

　　总的来说，MRAM是目前三种非易失性存储方式中走得最快、最接近大规模商业化的。其它两种存储技术FeRAM和OUM目前还处于实验室状态，没有进入商用。MRAM在研发道路上的大石头已经被清理得差不多了，只剩下一些顽石和碎石，一旦这些都被彻底清空，MRAM这条高速公路将会通向未来的存储世界。

　　Tips：STT-MRAM和第一代MRAM

　　实际上，MRAM的发展并不是一蹴而就的。第一代MRAM早在2007年之前就有一些理论和样品展示了。第一代MRAM的技术原理和硬盘有点类似，基于GMR巨磁阻尼原理，这种技术依靠专用的、外部的设备通过磁场来改变MRAM单元的磁性。速度慢、电流大，因此很快被抛弃了。随后，更多的研究提出了电子自旋磁场原理，因此第二代MRAM也就是目前我们看到的STT-MRAM基于电子自旋来改变磁场，速度更快、功耗更低并且整体效能也更为出色。在业内，人们称呼第二代MRAM为STT-MRAM，第一代MRAM由于技术存在一定的问题，因此几乎没有太多研究价值了。

　　文/图 青海油田档案信息管理部 张能学