3D XPoint的强劲对手之二 超级MRAM存储器技术全解析

　　在本刊今年2月上的《3D XPoint的强劲对手——超级NRAM存储器技术全解析》一文中，详细解读了存储器的原理和NRAM的特性，并简单介绍了几种正在研发的新一代非易失性存储器。当时提到了NRAM和MRAM的对比，但并未详细介绍MRAM。现在，初代MRAM的产品已经出现，一家名为Everspin的公司发布了一款实用DDR3接口规范的MRAM存储芯片，其容量虽然只有256Mb，但是MRAM的高性能、低功耗、长寿命和非易失性特性在这款产品上展露无遗。那么，Everspin的MRAM在结构、原理和性能上有什么值得关注的地方呢？今天本文就来和大家一起了解一下。

　　如果大家阅读过本刊今年2月上的《3D XPoint的强劲对手—超级NRAM存储器技术全解析》一文，对NRAM和现代DRAM存储器的相关内容应该有一定的了解。正如当期文章所说，存储器的根本原理是需要找到一种可检测的、有显著差异且容易改变的物理状态。对于NRAM来说，人们使用低、高电阻值来实现“1”和“0”状态的表示、存储和转换。对于其他类型的存储器来说，寻找到类似的物理量来实现存储功能就是需要解决的核心问题了。

　　无独有偶，NRAM的产业化刚露出曙光，2017年初，MRAM的实际产品被一家名为Everspin的公司真正地开始以大容量和SSD的形式商业化了。所谓MRAM，全称是Magnetic Random Access Memory，磁随机存储器。从历史角度来看，利用磁的各种性质生产磁存储器就成为了很多工程人员和厂商的梦想，其中包括IBM、东芝、三星、英特尔等厂商，在不同场合提及自己关注或者正在研发MRAM产品。不过，由于材料、工艺和结构设计等问题，MRAM多年来一直都没有太大进展，产品要么由于成本过高无法大规模产业化，要么就存在技术和生产上的难题。

　　这次，Everspin公司率先带来MRAM的产业化，着实给不少业内人士带来了震动。那么，新的MRAM是否能够正面抗衡DRAM，并且和NRAM一战呢？MRAM是怎样实现数据存储的功能呢？为了回答这个问题，让我们抽丝剥茧，从原理开始，先来了解MRAM的技术核心吧！

　　MRAM的技术核心：磁隧道效应

　　MRAM的技术核心是磁隧道效应，要理解磁隧道效应这么晦涩的名词，可以先来看看什么是隧道效应。顾名思义，所谓隧道，一般是指在道路修建时，面对高山、大江等天然障碍，通过打隧道的方式穿透这些不可逾越的阻隔，实现两端的导通，比如长江隧道、秦岭隧道等。以此推理的话，隧道效应就应该是类似的情况。举例来说，如果在两片导体中间加入一片极薄的绝缘体，按理来说有绝缘体阻隔，导体之间是不可能导通的。但是由于量子力学解释，存在粒子波函数，在某种情况下电子有一定概率可以通过绝缘体并出现在绝缘体另一侧的导体中，实现绝缘体两端导体之间的导通。这就相当于在不可逾越的绝缘体之间，出现了一个“隧道”，“隧道”实现了绝缘体两端导体的导通，这就是所谓的隧道效应。

　　隧道效应在很多文章中又被称为势垒贯穿，所谓势垒是指势能比附近的势能都高的空间区域，一般都在极值点附近。比如绝缘体，就属于高势垒区域。上文所述的两片导体中间夹着一层绝缘体的方案被称为电子隧道结。需要特别指出的是，隧道效应中，隧道透过的能力往往和势垒的宽度直接相关。以电子贯穿系数为例，在绝缘体厚度为2埃时，贯穿系数约为0.51，但是当绝缘体厚度提高到5埃时，贯穿系数呈指数级降低至0.024，继续增大绝缘体厚度，贯穿系数迅速接近0。出现这样的情况是因为隧道效应依旧是微观级别的效应，如果超出了量子所能所用的范围，那么这个效应就会迅速衰减至几乎不存在，这也证明了为何宏观上来看绝缘体依旧是有效的。

　　说完了隧道效应，再来看看磁隧道效应。大家知道，磁化实际上是金属中的电子被外加磁场极化的一个现象。当金属中每一个电子受到外加磁场影响从而统一自转方向时，宏观上就表现出对外的磁性。当这种磁性在外加磁场取消后依旧存在，那么就认为这种导体被磁化了。1975年，法国科学家M.Julliere在钴/锗/铁组成的磁性隧道结中发现了磁隧道效应，磁隧道效应表现出来的特征是：当磁性隧道结中上下两层导体表现出极化方向平行时，那么发生磁隧道效应的可能性大幅度提升，对外表现就是电阻低；当磁性隧道结中上下两层导体表现出极化方向相反时，那么发生磁隧道效应的可能性大幅度降低，对外表现就是电阻高。简单来说，磁场的方向在这里起到了对隧道效应发生与否的关键性作用，因此称其为磁隧道效应。

　　到此为止，一个存储器的技术原型就呈现出来了：使用磁性隧道结来存储数据，当磁性隧道结表现高电阻时，数据为1；当磁性隧道结表现低电阻时，数据为0（反之亦然）。不仅如此，磁性物质被磁化后不容易受到外力影响而改变自己的极性，因此保持固有状态的稳定性也很出色。在改变状态方面，既然是磁体，就可以通过外加磁场改变其磁性方向。总的来说，通过磁隧道效应和磁性隧道结，MRAM的技术基础和原理基本清晰，接下来就看工程实现了。

　　实现MRAM三大关卡：材料、磁隧道结和存储结构在了解了磁隧道效应后，科学家们开始准备利用这种效应制作相关产品。目前，磁隧道效应的最佳应用应该是存储单元，也就是今天的主角MRAM。不过，从理论到实际的产品，还有很多关卡需要走过，包括材料选择、磁性隧道结结构和整个存储器的结构。

　　MRAM制备难关之一：材料

　　MRAM制造过程的难关之一在于磁性材料和绝缘物质的选择。磁性材料主要是镍铁钴材料、钴铁硼材料等。需要注意的是避免磁性金属表面层的污染和氧化。原因很简单，磁性隧道结的特性是由磁性金属的内在性质所表征，如果磁性金属表面氧化或污染形成绝缘层等，会严重影响本来就极端敏感的隧道效应，最终使得产品失效。

　　绝缘物质方面，一般采用氧化物材料，势垒均匀致密、没有针孔等缺陷、并且足够薄（不超过2nm）—正如前文所说，只有足够薄才能使得足够多的电子穿过，才能表现出电阻的差异。目前，在至关重要的绝缘材料方面，厂商往往使用三氧化二铝制造，也有厂商使用钛酸锶、氧化铪、氧化锰等材料制造，不过后三者材料目前的磁电阻效应不够明显，很少有厂商深入使用研究。

　　MRAM制备难关之二：磁性隧道结

　　磁性隧道结实际上是整个MRAM的数据存储核心。对磁性隧道结的设计，也有很多种方案。其中第一种方案是四层结构。从上到下分比为自由层、绝缘层、被固定层和固定层。其中自由层是通过改变磁场方向来实现数据存储的，因此多使用软磁材料，要求材料矫顽力低，容易改变磁场方向、高磁导率以及对磁场的高敏感性等。在材料选择上，包括镍铁材料、钴铁材料、镍铁钴材料以及使用最多的钴铁硼材料等都可以考虑使用。绝缘层则之前提到过，一般使用三氧化二铝等材料实现。被固定层和固定层实际上是通过磁性材料和反磁性材料的布置实现强交换耦合作用，因此两者互相补充很难被改变方向。但是被固定层和自由层之间是退耦合状态，这使得自由层比较容易在外部磁场作用下发生改变。

　　除了上述第一种方案外，在磁性隧道结的设计上也有采用三层方案的。相比四层方案而言，三层方案没有使用被固定层和固定层两层的方法，而是直接使用了一个较厚的固定层，通过固定层的厚度带来比较强的磁性以确保磁矩不会被轻易反转。同时，使用较薄的自由层来保证磁矩的快速翻转，实现数据的快速写入。

　　一般来说，这两种设计方法并没有严格意义上的优劣之分，厂商会根据实际设计和制造需要选择合适的结构。

　　MRAM制备难关之三：数据写入与读取

　　在过了材料关和确定了磁隧道结的结构后，下面就会面临MRAM的存储结构设计了。一般来说，存储结构设计的核心是确保磁性隧道结所表征的数据可以快速读出，并且能够根据需要快速进行改变，另外还有一些工程上的设计比如堆叠设计、数据密度提升等。而在数据读写方面，还会存在使用磁场写入法和电流写入法两种完全不同的方法。

　　先来看看磁场法写入数据。这种方法的核心在于，数据的写入是通过字线和位线电流流过时同时产生的磁场实现对数据的改写。需要注意的是，当字线或者位线二者中的一个有电流流过时，产生的磁场仅仅是自由层矫顽力的一半，因此不能改变自由层磁场的方向，且磁场相互正交。只有当字线和位线同时通过电流并产生磁场时，字线和位线交点处的磁隧道结自由层才会获得确定的磁场方向，从而和下方的固定层结合，实现数据的存储。目前，磁场法的MRAM产品是业内大部分厂商的研发对象，这种方法的特点也比较明显，一是产品功耗略高；二是由于存在从电到磁、磁到磁的作用过程，因此速度比较慢；三是结构比较复杂，制造难度比较高；四是存储密度可能由于结构问题很难进一步提高。

　　除了磁场法改变数据外，还有一种方法是电流法。业内也有将磁场法写入归入第一代MRAM，电流法写入归入第二、三代MRAM。具体来说，当电流通过磁性层时，电流会被极化，形成自旋极化电流，自旋极化电流可以将自己的自旋动量传递给自由层，使得自由层获得磁矩。因此，这种方法是通过自旋极化电流来改变磁场方向的，且一般都使用前文提到的第二种磁性隧道结。需要注意的是，电流法改变自由层磁矩方向一般有两种变化：一是将自由层的磁矩方向改变成和固定层相同，此时电流从固定层流向自由层。在这种情况下，固定层较厚、较强的磁场带来了极化电流，极化电流穿过隔离层后，还能保持极化方向，因此能够将自旋角动量转移给非常薄的自由层，实现自由层磁矩方向和固定层相同。二是将自由层的磁矩方向改变成和固定层相反，此时电流从自由层流向固定层。在这个过程中，电子和固定层发生交换耦合作用，使得自旋平行于固定层磁矩的电子通过，和固定层磁矩相反的电子被反射。因为固定层较厚且磁性较强，相反方向的电子不可能改变其磁矩方向，反倒通过极薄的隔离层又和自由层发生交换耦合作用，使得自有层磁矩和固定层呈现相反的状态，实现了自由层磁矩的翻转。从结构上来说，电流法的存储单元结构相比磁场法要简单一些，因为不再需要字线，是目前MRAM存储中比较看重的一个研究方向。

　　从产品特性来看，电流法的MRAM特点如下：一是写入速度快，因为直接使用电流对磁场产生影响；二是存储密度高，由于没有字线，因此存储密度相比磁场法要高出不少；三是功耗较低；四是不会产生磁场的交叉影响，因此数据稳定性更高。

　　说完了数据写入，再来一起看看数据读取。相比之下，数据的读取要容易很多。只要字线和位线同时通过较小的电流后检测磁隧道结带来的电位差就可以了。因为隧道效应的存在，如果磁隧道结处于低阻状态，电位差很小；如果隧道效应不存在，则证明磁隧道结处于高阻值状态，电位差则很大。通过电位差的大小，就能判断此时磁隧道结存储的数据的状态，同时将数据传输给系统。另外，这种读取数据的方法完全是非破坏性的，也不会影响到数据的稳定性。

　　在渡过这三个难关后，厂商还需要在生产、制造、测试、封装以及商业角度上来衡量MRAM的市场前景情况。尤其是对MRAM这样的全新产品，还需要在性能、容量、价格上给予平衡，才能充分吸引市场，实现产品销售和盈利，以及未来的发展。

　　MRAM：显著的优势

　　说了这么多MRAM在结构上的内容，那么MRAM的优势究竟有哪些呢？下面我们分几点一起来看看：

　　首先，MRAM是非易失性存储器，也就是断电后MRAM依旧可以保存数据。这一点和之前介绍的NRAM类似。其次，MRAM不存在读取磨损的问题。由于MRAM的原理只涉及磁场改变方向等，不像闪存颗粒那样需要一定数量的电子才能工作，并且电子存在丢失可能，因此寿命理论上来说是无限的，磁场的稳定性要比电场好很多。

　　第三，MRAM的功耗很低。由于MRAM在写入数据时只需要反转磁场即可，因此所需功耗能够控制在比较低的范围。第四，MRAM抗辐射效应出众。由于MRAM使用的是金属、又是磁存储结构，因此在一般的辐射下能够稳定工作，比DRAM、SRAM、NAND等强很多。第五，MRAM读写速度比较高。目前MRAM产品的读写速度已经超过了DRAM，距离SRAM还有一定差距。不过随着工艺的进步和结构设计的提高，MRAM有望让速度再上一个台阶。

　　在这五大优势背后，MRAM也存在一些问题。比如目前制造和设计都比较困难，材料上还有进一步拓展的空间，目前价格也比较昂贵，尚未经过大规模量产等。耐久性方面，MRAM由于使用的是磁场来存储数据，因此在外界磁场干扰、高温等环境下是否能稳定、长久的保存数据，还有待检验。另外，目前受制于工艺和结构的问题，MRAM的数据存储密度都比较低，大多只能做到单片256Mb，这和主流的单片NAND颗粒能做到64GB甚至128GB相比还差很远，未来还需要进一步提升存储密度，提高单片容量。

　　Everspin的MRAM SSD：最大2GB容量

　　在MRAM相关知识介绍基本完了。Everspin公司实际上在之前就推出过MRAM相关的颗粒和产品，但是都是小容量或者并非面向商业市场，只是一些测试样品而已。这一次，Everspin直接推出了基于MRAM技术、采用NVMe标准的SSD产品，面向对数据要求非常高的数据中心、高可靠性工业场所等。

　　Everspin推出的是名为nvNITRO的SSD产品，它采用的MRAM颗粒使用了DDR3规格的封装和接口。不过虽然接口都是DDR3，但由于颗粒结构是MRAM，因此和我们一般看到的由JEDEC公布的DRAM颗粒标准是完全不同的。单片容量上只有256Mb，如果使用32或者64颗MRAM颗粒的话，能够在PCIe 3.0 x8带宽下提供1GB~2GB的容量。值得一提的是，由于MRAM几乎完美的磨损能力，因此不需要任何均衡磨损算法（NAND由于存在颗粒读写寿命限制，因此人们一般使用均衡磨损算法来统计每个存储单元的读写次数和剩余寿命，尽可能平衡地让每个存储单元能够平均读写次数，最大限度地保证整块芯片乃至整块SSD平均磨损，尽可能延长使用寿命），这样一来控制器设计就变得简单很多，也不再需要配备专用的大容量高速缓存，这在一定程度上降低了成本。

　　在性能方面，Everspin目前没有给出完整的性能预览，也没给出太多技术细节，只有一些性能参数，不过即使这些参数，都展示出MRAM远超NAND的潜力。根据Everspin的数据，nvNITRO的4KB数据传输延迟为6μs，相比之下英特尔SSD DCP 3700高达20μs；QD32队列为1.5M IOPS（4KB），相比之下HGST Ultrastar SN260只能做到1.2MIOPS读取/200KIOPS写入）。其他参数方面，nvNITRO能够在QD16上提供超过1MIOPS的速度、QD8上超过800KIOPS、QD1超过175K IOPS读取/150KIOPS写入，整体性能表现都非常令人惊讶。另外，nvNITRO支持细粒度访问，因此很小的数据性能表现也很出色，512B传输达到了2.2M IOPS，整体运行情况非常出色。

　　目前的nvNITRO采用的是FPGA芯片来实现MRAM颗粒的读写，这将允许客户直接将MRAM集成到设计中，就像使用DRAM一样简单。为了进一步简化产品，Everspin还在考虑在M.2标准下推出相关MRAM产品。Everspin透露说，今年年底他们还会推出基于DDR4接口的MRAM颗粒，容量和存储密度会有进一步的提升，届时会发布16GB的PCIe板卡产品、8GB的2.5寸U.2接口产品和至少512GB的M.2接口产品。

　　目前Everspin已经开始小范围出货MRAM产品，不过由于较低的产量和高昂的售价，Everspin还在选择试用客户，并将在第二季度开始正式出售。一些对性能要求极端严格的系统厂商正在考察Everspin的产品，这些厂商往往要求数据存储的可靠周期在20年以上，MRAM之前曾进入过这些厂商的试用名单。最后，具体的价格方面，Everspin没有给出太多信息。目前MRAM正处在产业周期的初期，的确不太适合面向普通用户。

　　总的来看，MRAN依靠优秀的特性和出色的性能，成为了下一代存储产品的有力竞争者。和之前的NRAM以及FeRAM有所不同的是，MRAM已经正式出货并且在逐步提升容量。目前的瓶颈依旧是制造和工艺方面，由于材料、产品的差异，MRAM要想扩大规模、抢占市场，变得像今天的DRAM一样广受欢迎和普及，还需要一段漫长的时间。从产业角度来看，进入2017年后，各种非易失性存储技术开始爆发，MRAM也是这些新技术中的一种，并且走在比较前端的位置。未来MRAM的发展究竟会怎么样，现在也没有人敢轻易下定论。不过凭借非易失性、高性能和高可靠性等特性，MRAM应该能占据自己的一块市场，成为存储产品的一大家族。

　　文、图/丁泰勇