當(dāng)今世界85%的信息被保存在硬盤中，你有沒有想過(guò)有那么一天，即便塞爆硬盤，也存不下來(lái)現(xiàn)在的數(shù)據(jù)？

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(xiàn)在，雖然NAND Flash稱王，人們能存得越來(lái)越多，讀取得也越來(lái)越快，但也愈遇瓶頸。隨著制程技術(shù)愈發(fā)逼近1nm，硬盤容量提升越來(lái)越難，人們不斷把硬盤內(nèi)的NAND Flash芯片“堆高高”，從另一個(gè)維度提升硬盤容量。

但技術(shù)瓶頸依然存在，此時(shí)就需要新的技術(shù)，備受矚目的技術(shù)，便是MRAM（磁阻存儲(chǔ)器）。對(duì)，沒錯(cuò)，人們兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)又將希望放到了“磁”上。

新時(shí)代的王

其實(shí)，除了我們熟知的內(nèi)存（DRAM）和SSD（NAND Flash），科學(xué)家和業(yè)界一直都想換掉你電腦里的內(nèi)存和硬盤，因?yàn)樗鼈儾⒎峭昝赖募夹g(shù)，要么斷電丟失數(shù)據(jù)，要么存得比較慢。

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

MRAM就是新型存儲(chǔ)中非常重要，且離產(chǎn)業(yè)很近的一種，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是更強(qiáng)更快。不過(guò)，存儲(chǔ)界并不存在什么六邊形戰(zhàn)士，所以都是看應(yīng)用需要什么，選擇什么技術(shù)。

MRAM是一種非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，它被稱為“全能手”，顧名思義，是因?yàn)镸RAM什么都會(huì)做一些。

SRAM雖快，但容量極低；DRAM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)隨著制程逐步逼近極限而無(wú)限觸碰極限。

而MRAM有著介于SRAM和DRAM兩種易失性存儲(chǔ)技術(shù)之間的速度和面積，同時(shí)擁有讀寫次數(shù)無(wú)限、寫入速度快、功耗低、抗輻射和邏輯芯片整合度高的特點(diǎn)。此外，目前MRAM實(shí)驗(yàn)室耐溫可達(dá)-40℃~150℃，覆蓋了車規(guī)芯片的-40℃~120℃。

當(dāng)然，MRAM也并非沒有缺點(diǎn)，它還面臨很多的挑戰(zhàn)，比如真實(shí)器件材料體系復(fù)雜、開關(guān)比低，CMOS工藝要完全匹配等。此外，MRAM的發(fā)展仍然遇到動(dòng)態(tài)功耗、能量延遲效率和可靠性方面的瓶頸。

與傳統(tǒng)的RAM不同，MRAM不以電荷或電流存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而是由磁性隧道結(jié)MTJ (Magnetic tunnel junction）磁性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在，MTJ存在各種各樣的結(jié)構(gòu)，這也是MRAM復(fù)雜所在。

目前，MRAM分為三代：第一代為MRAM，叫做磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)型MRAM；第二代為STT-RAM（自旋轉(zhuǎn)移扭矩），通過(guò)通入垂直于隧道結(jié)的電流使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)；第三代MRAM技術(shù)分為兩種，分別為通過(guò)在重金屬層中通入面內(nèi)電流使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)的叫自旋軌道矩MRAM（SOT-MRAM）和通過(guò)施加電壓改變磁各向異性使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)的叫做壓控磁各向異性MRAM（VCMA-MRAM或MeRAM）。

MRAM發(fā)展已有很長(zhǎng)的歷史，在IoT嵌入式存儲(chǔ)領(lǐng)域擁有諸多應(yīng)用，近年來(lái)基于自旋矩轉(zhuǎn)移的STT-MRAM成為了主流，同時(shí)第三代的SOT-MRAM正在逐漸產(chǎn)業(yè)化。

MRAM的應(yīng)用場(chǎng)景主要是取代現(xiàn)有的一些存儲(chǔ)技術(shù)。比如說(shuō)，可以用于替代DRAM或者SRAM，使其在斷電情況下也能保存數(shù)據(jù)，MRAM在讀寫速度與耐久度方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。

工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用需要具有非常快的寫入能力，且需要非易失性存儲(chǔ)，但NAND、NOR和 EEPROM寫入慢，耗電多，還要額外搭配電池的SRAM，此時(shí)MRAM的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了。

在自動(dòng)駕駛、AI興起的現(xiàn)如今，對(duì)存算都要求計(jì)算更快，算力更強(qiáng)，這就需要讓存儲(chǔ)器嵌入到處理芯片（如MCU），從而以極短數(shù)據(jù)傳輸距離（納米~微米量級(jí)）實(shí)現(xiàn)近內(nèi)存計(jì)算。

MRAM在工藝上與CMOS高度兼容，可拿出一個(gè)金屬層做MRAM而把其他金屬層做處理器及邏輯電路，易于實(shí)現(xiàn)納米~微米量級(jí)的極短數(shù)據(jù)傳送距離，從而使AI計(jì)算的算力按數(shù)量級(jí)提升。所以自動(dòng)駕駛儀和車載電子都是MRAM極好的應(yīng)用場(chǎng)景。

新型磁阻材料展現(xiàn)出MRAM潛力

東北大學(xué)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(chǔ)器(MRAM)的發(fā)展鋪平了道路。

隧道磁阻器件利用隧道磁阻效應(yīng)來(lái)檢測(cè)和測(cè)量磁場(chǎng)。這與磁隧道結(jié)中鐵磁層的磁化有關(guān)。當(dāng)磁鐵對(duì)齊時(shí)，會(huì)觀察到低電阻狀態(tài)，電子可以很容易地穿過(guò)它們之間的薄絕緣屏障。當(dāng)磁體未對(duì)齊時(shí)，電子的隧穿效率會(huì)降低并導(dǎo)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(guān)鍵指標(biāo)。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(huán)境條件下具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)，并且在具有巖鹽型氧化鎂的器件中表現(xiàn)出巨大的隧道磁阻效應(yīng)。

有兩項(xiàng)使用這些鐵基合金的顯著研究，它們產(chǎn)生了顯示高磁阻比的磁阻器件。第一次是在2004年由日本國(guó)立先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所和IBM合作；第二次發(fā)生在2008年，當(dāng)時(shí)東北大學(xué)的研究人員報(bào)告稱，室溫下的磁阻比超過(guò)600%，當(dāng)溫度接近零開氏溫度時(shí)，磁阻比躍升至1000%。

自這些突破以來(lái)，各研究所和公司在珩磨設(shè)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(xué)的Tomohiro Ichinose博士和Shigemi Mizukami教授最近開始探索熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)材料，以開發(fā)一種能夠表現(xiàn)出類似磁阻比的新材料。為了做到這一點(diǎn)，他們專注于鈷錳合金的強(qiáng)磁性，這種合金具有體心立方亞穩(wěn)晶體結(jié)構(gòu)。

Mizukami說(shuō)：“鈷錳合金具有面心立方或六方晶體結(jié)構(gòu)，作為熱力學(xué)穩(wěn)定相。由于這種穩(wěn)定相表現(xiàn)出弱磁性，因此從未將其作為隧道磁阻器件的實(shí)用材料進(jìn)行研究。”

早在2020年，該小組就報(bào)道了一種使用具有亞穩(wěn)態(tài)體心立方晶體結(jié)構(gòu)的鈷錳合金的設(shè)備。

他們利用數(shù)據(jù)科學(xué)和/或高通量實(shí)驗(yàn)方法，在這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在亞穩(wěn)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(guò)1000%。此外，器件制造采用了濺射法和加熱工藝，這與當(dāng)前的行業(yè)相兼容。

Mizukami補(bǔ)充道，我們已經(jīng)生產(chǎn)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(lái)的改進(jìn)設(shè)定了另一個(gè)方向。


未來(lái)市場(chǎng)潛力超百億

隨著可穿戴設(shè)備使用量的增加，5G、物聯(lián)網(wǎng)(loT)和云服務(wù)等技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)內(nèi)存更大、啟動(dòng)時(shí)間更快的先進(jìn)計(jì)算系統(tǒng)的需求不斷增長(zhǎng)，這一市場(chǎng)正在發(fā)展。隨著數(shù)字化不斷改變行業(yè)，全球?qū)舛舜鎯?chǔ)解決方案的需求也在上升。

磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)是一項(xiàng)很有前景的技術(shù)，因?yàn)樗峁┝丝焖佟⒎且资缘拇鎯?chǔ)能力。磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器 (MRAM)適用于廣泛的應(yīng)用，包括可穿戴技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)(loT)設(shè)備和高端計(jì)算系統(tǒng)，因?yàn)樗词乖跀嚯姇r(shí)也能保持?jǐn)?shù)據(jù)。這些技術(shù)的使用越來(lái)越頻繁，這增加了對(duì)磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器 (MRAM)作為可靠和有效的存儲(chǔ)解決方案的需求。

磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器 (MRAM)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將大幅擴(kuò)大，到2031年預(yù)計(jì)價(jià)值將達(dá)到191.893億美元，從2021年到2031年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到36.6%。

國(guó)內(nèi)能把握新機(jī)會(huì)嗎？

MRAM無(wú)疑是具備“錢景”的。許多專家都預(yù)言，MRAM將帶來(lái)下一波存儲(chǔ)浪潮。

Menafn報(bào)道顯示，MRAM市場(chǎng)將從此刻開始爆發(fā)，到2031年預(yù)計(jì)價(jià)值將達(dá)191.893億美元，2021年~2031年復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)36.6%。車用市場(chǎng)、物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)都是MRAM成長(zhǎng)動(dòng)能最高的領(lǐng)域。

Yole Developpement預(yù)測(cè)，2020年~2026年間，整體新興非揮發(fā)性內(nèi)存（NVM）市場(chǎng)的年復(fù)合成長(zhǎng)率約為44%，隨著新興嵌入式NVM技術(shù)顯著成熟，預(yù)估2026年eMRAM市場(chǎng)規(guī)模為17億美元，約占整體新興eNVM市場(chǎng)的76%。

磁存儲(chǔ)器中國(guó)探索較早，早在50年代末到60年代初，國(guó)內(nèi)就掀起了存儲(chǔ)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)，雖然彼時(shí)沒有MRAM這樣的概念，但當(dāng)時(shí)仿制蘇聯(lián)計(jì)算機(jī)的磁芯存儲(chǔ)技術(shù)可以稱作是最早的MRAM。

根據(jù)EEworld不完全統(tǒng)計(jì)，磁宇信息、馳拓科技、興芯存儲(chǔ)、凌存科技、致真存儲(chǔ)、亙存科技幾家表現(xiàn)值得關(guān)注，其中尤其后三家公司在最近擁有諸多動(dòng)作。

2023年8月，致真存儲(chǔ)自主研發(fā)的128Kb SOT-MRAM 芯片成功下線，是繼1Kb SOT-MRAM流片成功后又一個(gè)重要的新一代磁存儲(chǔ)技術(shù)工藝研制里程碑，圍繞自旋軌道矩材料、磁性隧道結(jié)圖案化、專用電路設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)多處技術(shù)突破；

亙存科技針對(duì)邊緣側(cè)、端側(cè)的智能化需求，圍繞“存儲(chǔ)-計(jì)算-控制”布局“獨(dú)立式MRAM存儲(chǔ)芯片”和包含嵌入式MRAM的“AI SoC芯片”兩條核心產(chǎn)品線，為消費(fèi)、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等領(lǐng)域的客戶提供具備競(jìng)爭(zhēng)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(yùn)行功耗低至5uA/MHz，達(dá)到國(guó)際一流水平，可為廣大電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景提供高性價(jià)比方案；

凌存科技已成功開發(fā)出世界首款高速、高密度、低功耗的存儲(chǔ)器MeRAM原型機(jī)和基于MeRAM的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，其開發(fā)的高性能存儲(chǔ)芯片廣泛應(yīng)用于車載電子、高性能運(yùn)算、安全等領(lǐng)域，其還將存儲(chǔ)介質(zhì)、集成電路、系統(tǒng)及相關(guān)專利授權(quán)給有高效性運(yùn)算以及安全芯片需求的公司自行開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品；

磁宇信息是擁有pSTT-MRAM專用12寸薄膜制造/測(cè)試設(shè)備和pSTT-MRAM專用12寸刻蝕設(shè)備的公司，國(guó)外MRAM主要應(yīng)用在固態(tài)硬盤內(nèi)，實(shí)現(xiàn)固態(tài)硬盤性能大幅度提升，這也是磁宇信息產(chǎn)品的起點(diǎn)；

馳拓科技也已經(jīng)有客戶進(jìn)行了量產(chǎn)，為嵌入式非易失性存儲(chǔ)，用于MCU/SOC和慢速SRAM；

珠海興芯存儲(chǔ)（珠海南北極科技全資子公司）NV-RAM規(guī)格的MRAM技術(shù)，是國(guó)內(nèi)第一家達(dá)到此規(guī)格的廠商，未來(lái)量產(chǎn)后可取代目前市場(chǎng)上由外商供應(yīng)昂貴的FRAM、電源供應(yīng)SRAM（BatteryBackup SRAM），NVSRAM；

中國(guó)科學(xué)院物理研究所團(tuán)隊(duì)則研制了一種磁矩閉合型納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)，作為存儲(chǔ)單元的新型MRAM原型器件。

總結(jié)來(lái)看，傳統(tǒng)存儲(chǔ)器市場(chǎng)受挫，國(guó)產(chǎn)選擇了另辟蹊徑，這是一個(gè)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(dòng)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(fā)更大的芯片革命。或許，國(guó)產(chǎn)可以從這里切開存儲(chǔ)市場(chǎng)壟斷的口子。


我們需要新的存儲(chǔ)技術(shù)

隨著需求的增加，DRAM和flash似乎已經(jīng)無(wú)法跟上生成的大量數(shù)據(jù)的需求。每個(gè)公司似乎都有存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)的可視化表示，在這兩種技術(shù)之間有一些差距。這個(gè)問(wèn)題只會(huì)變得更糟。

上圖:DRAM和NAND閃存之間可能存在多種非易失性內(nèi)存技術(shù)。

分析師Mark Webb認(rèn)為，DRAM將在未來(lái)五年內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)展。但是，它的速度正在放緩，而DRAM易失的事實(shí)為數(shù)據(jù)丟失打開了大門。至少NAND存儲(chǔ)器具有持久性。但是隨著flash規(guī)模縮放，耐用性和性能會(huì)受到打擊。因此，確實(shí)沒有一種技術(shù)是理想的。

作為回應(yīng)，業(yè)界正在努力尋找一種通用內(nèi)存，這種內(nèi)存能夠提供DRAM級(jí)的性能、數(shù)據(jù)持久性、無(wú)限的持久性以及比NAND的每比特成本更低。敬請(qǐng)期待。我們亟需一種新的存儲(chǔ)方法。

而我們也必須承認(rèn)，我們上面討論的新興記憶中沒有一個(gè)符合所有這些條件，但兩者的結(jié)合將保持大數(shù)據(jù)的流動(dòng)。不過(guò)隨著數(shù)據(jù)處理需求的增長(zhǎng)，我們必須密切關(guān)注存儲(chǔ)類內(nèi)存和內(nèi)存類存儲(chǔ)之類的術(shù)語(yǔ)。在這些保護(hù)傘下，新出現(xiàn)的記憶將被分類，增強(qiáng)DRAM和NAND閃存。

而Energias Market Research預(yù)計(jì)，MRAM市場(chǎng)從現(xiàn)在到2025年將迅速增長(zhǎng)，復(fù)合年增長(zhǎng)率也將高達(dá) 49.6%，解釋這個(gè)市場(chǎng)容量將達(dá)到12億美元。Coughlin Associates預(yù)測(cè)，3D XPoint memory——Optane的核心技術(shù)——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(nèi)存來(lái)解決即將到來(lái)的閃存、DRAM和SRAM的限制。

各大新興技術(shù)應(yīng)該努力，因?yàn)槲磥?lái)也不一定只有一個(gè)贏家。