1956 年，IBM推出世界上第一個硬碟驅動器——RAMAC 305，可以儲存 5MB 的資料，傳輸速度為 10K/s。雖然這款硬碟體積巨大如同兩台冰箱，重量超過一噸，但是卻標誌著磁碟儲存時代的開始。

此後，隨著科技的進步，記憶體技術逐漸發展。動態隨機存取儲存器（DRAM），具有較快的讀寫速度，能夠滿足電腦系統在運行過程中對資料的快速存取需求。固態硬碟（SSD）以其高速的讀寫性能、低功耗和抗震動等優點，逐漸取代傳統磁碟成為主流儲存裝置之一。

儲存技術仍舊在持續發展，近年來新型儲存技術如雨後春筍般湧現，諸如相變儲存器（PCM）、阻變儲存器（RRAM）、磁變儲存器（MRAM）、鐵電儲存器（FRAM/Feram）等。

在介紹MARM前，我們先來簡單瞭解一下新型的四種儲存技術。

相變儲存器（PCM）通過相變材料相態的變化獲得不同的電阻值，以實現資料的儲存。英特爾與美光聯合研發的 3D XPoint 技術是其代表，英特爾將其冠名為傲騰（Optane），美光則稱為 QuantX。

磁變儲存器（MRAM）基於隧穿磁阻效應的技術，具有讀寫次數無限、寫入速度快、功耗低、和邏輯晶片整合度高等特點。美國 Everspin 公司推出的 STT-MRAM是其代表產品。

阻變儲存器（RRAM/ReRAM）利用阻變材料中導電通道的產生或關閉實現電阻變化。代表公司有美國 Crossbar、松下和昕原半導體等。

鐵電儲存器（FRAM/Feram）利用鐵電材料的極化特性來儲存資料，具有讀寫速度快、功耗低、非易失性等優點，在一些對讀寫速度和功耗要求較高的嵌入式系統中有應用。

在儲存技術不斷創新的浪潮中，磁性隨機儲存器（MRAM）作為一種新型儲存技術脫穎而出。首先，它兼具非易失性和高速讀寫的特性。與傳統的非易失性儲存技術相比，MRAM的讀寫速度可以與記憶體相媲美，而又不像記憶體那樣斷電後資料丟失。這一特點使得MRAM在需要快速啟動和資料持久保存的應用場景中具有巨大的優勢。

其次，它的讀寫速度快。DRAM 的讀寫速度一般在 50 納秒左右，而 NAND Flash 的讀寫速度通常在幾百微秒到幾毫秒之間。相比之下，MRAM的讀寫速度可以達到 10 納秒以下。甚至，一些先進的MRAM產品的讀取速度能夠達到 2～3 納秒，寫入速度可低至 2.3 納秒。

此外，MRAM具有低功耗的優點。與傳統的 DRAM 相比，MRAM的功耗可以降低 50%～80%。這是因為 DRAM 需要不斷地進行刷新操作以保持資料，而MRAM基於磁性材料的儲存機制，不需要頻繁的刷新操作。

最後，MRAM還具有與邏輯晶片整合度高的特點。這意味著可以將儲存單元與邏輯電路緊密整合在同一晶片上，從而減小裝置的體積、提高性能並降低成本。這種高度整合的特性為未來電子裝置的小型化、智能化發展提供了新的可能性。

MRAM的概念最早可以追溯到 20 世紀中葉。當時，科學家們開始探索利用磁性材料來儲存資料的可能性。隨著對磁性材料和電子學的深入研究，MRAM的基本原理逐漸被提出。

早期的設想是通過控制磁性材料的磁化方向來表示二進制資料，即 “0” 和 “1”。這種儲存方式具有非易失性、高速度和低功耗等潛在優勢，引起了科學界的廣泛關注。

在早期的實驗中，科學家們面臨著許多挑戰。其中一個關鍵問題是如何實現對磁性材料磁化方向的精確控制。由於磁性材料的磁化過程通常是隨機的，因此需要找到一種有效的方法來定向磁化。此外，早期的MRAM實驗還面臨著儲存密度低、讀寫速度慢和可靠性差等問題。

巨磁阻效應（GMR）帶來的新契機

1988年，法國科學家阿爾貝・費爾（Albert Fert）和德國科學家彼得・格林貝格（Peter Grünberg）獨立發現了巨磁阻效應（Giant Magnetoresistance，GMR）。這一發現引起了科學界的轟動，並為MRAM的發展帶來了重大的推動作用。

GMR 效應是指在磁性材料中，當磁場發生變化時，電阻會發生顯著變化的現象。這一效應使得科學家們能夠更加精確地檢測磁性材料的磁化狀態，從而提高了MRAM的讀寫速度和儲存密度。此外，GMR 效應還為MRAM的製造提供了新的技術途徑，使得MRAM能夠更加容易地與傳統的半導體製造工藝相結合。

在MRAM技術中，GMR 效應主要通過磁性隧道結（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來實現。MTJ 是由兩個磁性層和一個絕緣層組成的三明治結構。當兩個磁性層的磁化方向平行時，電阻較低；當兩個磁性層的磁化方向反平行時，電阻較高。通過檢測 MTJ 的電阻變化，可以實現對磁性材料磁化狀態的讀取。同時，通過施加外部磁場或電流，可以改變磁性層的磁化方向，從而實現對資料的寫入。

此後，在GMR效應的基礎上發展起來的一種新型磁阻效應——隧穿磁阻效應（Tunneling Magnetoresistance，TMR）。與 GMR 效應相比，TMR 效應具有更高的磁阻變化率和更低的功耗。

MgO基磁性隧道結示意圖         來源：物理學報《MgO基磁性隧道結溫度-偏壓相圖的理論研究》

TMR 技術的發展歷程可以追溯到 20 世紀 90 年代。當時，科學家們開始研究如何利用隧穿效應來提高磁阻變化率。經過多年的努力，他們終於在 21 世紀初取得了重大的突破。其中一個關鍵突破是開發出了一種新型的磁性隧道結結構，即 MgO 基磁性隧道結。這種結構具有很高的磁阻變化率和良好的溫度穩定性，為MRAM的商業化應用奠定了基礎。此外，科學家們還開發出了一些新的製造工藝和技術，如自對準工藝和垂直磁化技術，以提高MRAM的性能和可靠性。

隨著 TMR 技術的不斷髮展和成熟，第一個商業化的MRAM產品終於在 2006 年誕生。這個產品是由飛思卡爾半導體（Freescale Semiconductor，現為恩智浦半導體 NXP Semiconductors 的一部分）推出的，它採用了 180nm 的 CMOS 工藝製造，具有 4Mb 的儲存容量和 35ns 的讀寫速度。這個產品的誕生標誌著MRAM技術正式進入了商業化階段。

這一時期，MRAM的技術持續改進，例如在儲存容量、讀寫速度、工作溫度範圍等方面不斷提升。Everspin 公司推出了具有 SRAM 速度和快閃記憶體結構的非易失的 Toggle-MRAM，其 16 位 32MB 平行MRAM具有最高 35ns 的寫入周期時間，工作溫度範圍為 -40~125°C，適用於工業和汽車應用。

隨著半導體製造工藝的不斷進步，MRAM開始向更先進的技術節點發展。例如，2017 年，Everspin 公司大批次生產了 256MB DDR3 STT-MRAM，並整合了 40nm CMOS；2019 年，該公司又批次生產了 28nm CMOS 上的 1GB DDR4 STT-MRAM。

半導體行業內的各大廠商、科研機構之間的合作不斷加強，共同推動MRAM技術的發展和商業化應用。例如，三星與意法半導體在 2014 年簽訂 28nm FD-SOI 技術多資源製造全方位合作協議，為MRAM的商業化應用提供了技術支援。

現在，MRAM家族包括了自旋轉移扭矩 (spin-transfer torque ：STT)、自旋軌道扭矩 (spin-orbit torque：SOT)、電壓控制（VCMA-和 VG-SOT）和domain-wallMRAM。

Yole Development分析稱，到2024年，MRAM的市場規模將增加40倍，製造工藝將減少到16nm，儲存容量則會從1Gbit增加到8Gbit。國際上的半導體巨頭如英特爾、三星、台積電等都在積極投入MRAM的研發。

今年1月，台積電攜手工研院宣佈成功研發出自旋軌道轉矩磁性儲存器（SOT-MRAM）陣列晶片，標誌著在下一代MRAM儲存器技術領域的重大突破。這一創新產品不僅採用了先進的運算架構，而且其功耗僅為同類技術STT-MRAM的1%。目前台積電已經成功開發出22納米、16/12納米製程的MRAM產品線，並在記憶體、車用市場獲得大量訂單。

2021年，三星電子在頂級學術期刊《Nature》上發表了全球首個基於MRAM的存內計算研究。通過建構新的MRAM陣列結構，用基於 28nm CMOS 工藝的MRAM陣列晶片運行了手寫數字識別和人臉檢測等 AI 演算法，精準率分別為98%和93%。

2022年12月，三星電子在著名的微電子學會議IEEE國際電子器件會議（IEDM）上，發表了題為“World-most energy-efficientMRAMtechnology for non-volatile RAM applications（適用於非易失性 RAM 應用的業界最強能效MRAM技術）”論文，描述了基於三星28納米和14納米邏輯製程節點的nvRAM產品技術。

具體而言，增強型磁隧道結（MTJ）的堆疊工藝技術，顯著降低了寫入錯誤率（WER）。MTJ也從28納米節點，縮小到14納米FinEFT工藝，面積縮小了33%。該尺寸晶片規模，允許在同一晶圓上生產更多晶片，從而產生更多裸晶片（net dies）。此外，讀取周期時間加快了2.6倍，16Mb封裝尺寸縮小至業界最小的商用尺寸30mm。該解決方案能在-25℃下提供超1E142次循環的近乎無限耐用性。但最重要的成就，是在 54MB/s 頻寬下，主動讀取和寫入功耗分別為 14mW 和 27mW的業內一流能效。

英特爾宣佈其MRAM已經準備好大規模量產，採用了成熟的 22nm FFL FinFET 製造工藝，良品率超過了 99.998％。但關於具體投入規模量產的時間以及用於何種產品之上，尚未給出更詳細的說明。

英特爾研究的MRAM每個儲存單元的面積為 0.0486 平方微米、容量7MB，讀取時間0.9V電壓下4納秒、0.8V電壓下8納秒，寫入時間 -40℃下為10微秒，寫入壽命不低於一百萬次，標準耐受溫度範圍-40℃到125℃。

作為較早推出MRAM產品的公司，Everspin不斷推進產品的迭代升級。繼 2012 年發佈第一代 STT-MRAM（自旋轉移矩磁阻記憶體）後，又推出了採用 GlobalFoundries 28nm 製造工藝的第二代 STT-MRAM，並封裝於 DDR4，支援8-bit或者16-bit介面，傳輸率1333MT/s（667MHz），容量增大到了1GB（128MB）

Everspin MRAM產品已經滲透到包括電腦記憶體、航空航天、工業自動化、汽車電子、醫療等多個領域。

國內方面，諸多高校如中科院、清華大學、復旦大學、電子科技大學、北京航空航天大學等在MRAM相關的基礎研究方面也取得了一定成果。

北京航空航天大學積體電路學院自旋晶片團隊長期圍繞自旋電子學開展交叉學科研究。2018 年成功研製出基於單原子層鎢的雙介面型MTJ器件，獲得了 249% 的隧穿磁阻率（TMR），這一成果仍保持著MRAM晶片TMR指標的世界最高紀錄。該團隊提出的雙介面型MTJ器件結構已成為產業界高度認可的主流路線。

2022年，該團隊在國際上首次實現了寫入速度達到10皮秒（10⁻¹¹s）量級的新型磁隧道結器件，在寫入速度方面超越現有磁儲存晶片原型器件技術1 - 2個數量級。

中國科學院微電子研究所的微電子器件與整合技術重點實驗室自2019年設立磁儲存及自旋電子器件研究方向，主要集中在從物理機理的角度解決限制MRAM發展的關鍵技術問題。例如在2023年，該研究所開發了一種基於垂直磁各向異性SOT - MTJ的刻蝕 “停 MGO” 工藝，解決了 SOT -MRAM製造中的刻蝕短路問題，提高了器件的良率和關鍵參數的均勻性。

同時國內也有許多新興的儲存晶片企業正在加大對MRAM的研發投入。致真儲存（北京）科技有限公司成立於2019年，研發團隊在自旋儲存晶片領域深耕近十年。是國內唯一具有SOT-MRAM完整智慧財產權和8英吋研發、中試、量產線的廠商，成功研發國內首個80nm以下MRAM核心器件，成為行業領先的前沿科技創新企業。該公司已獲得中科創星、普華資本、中電海康等多方戰略投資，並計畫建設 8 英吋和 12 英吋的新一代儲存晶片生產線。

深圳亙存科技有限責任公司成立於 2019 年，是國內目前唯一專注於圍繞磁性隨機儲存器（MRAM）技術進行相關晶片產品設計開發和銷售的Fabless企業。其針對邊緣側、端側的智能化需求，佈局了 “獨立式MRAM儲存晶片” 和包含嵌入式MRAM的 “AISOC 晶片” 兩條核心產品線。

2021 年收穫一款定製晶片的獨家訂單，且客戶很快追加了第二款定製產品。截至 2021年，公司有一款首次整合了超過 200MB 的MRAM晶片正在等待送樣測試，還有兩款客戶定製的晶片已經流片並計畫次年量產，另外還有兩個基於MRAM的近存、存內計算的在研項目。

浙江馳拓科技有限公司在MRAM領域取得了顯著進展。B 輪融資 12 億元，募集資金將用於系列化產品開發、技術能力提升、工藝平台最佳化、市場開拓和行業資源整合，進一步加速研發和產業化處理程序，引領新型儲存行業科技創新，完善MRAM產業生態佈局。該公司擁有 12 英吋新型儲存晶片中試線，成功開發獨立式儲存晶片和嵌入式 IP 等系列產品，並可提供 90/40/28nm 多個先進工藝節點下的晶片設計、工藝研發、流片、測試分析等全方位服務。

MRAM的出現，為儲存技術的發展注入了新的活力。

未來，MRAM與其他儲存技術的融合將是未來的一個重要發展方向。例如，將MRAM與動態隨機儲存器（DRAM）、快閃記憶體（Flash）等結合，可以充分發揮各種儲存技術的優勢，實現性能、容量和成本的最佳平衡。例如，在移動裝置中，可以將MRAM作為快取記憶體，與 DRAM 和 Flash 組成混合儲存系統，提高裝置的性能和續航能力。

此外，MRAM還可以與人工智慧晶片結合，實現存算一體的架構，提高人工智慧演算法的運行效率。例如，在圖像識別、語音識別等領域，存算一體的人工智慧晶片可以實現更高的性能和更低的功耗。

在當今資訊時代，儲存技術的重要性不言而喻。讓我們共同期待MRAM這匹 “黑馬” 在儲存領域的精彩表現。 (半導體產業縱橫)

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