儲存技術發展更迭50年，逐漸形成了SRAM、DRAM及Flash這三大主要領域。但隨著半導體製造技術持續朝向更小的技術節點邁進，傳統的DRAM和NAND Flash開始面臨越來越嚴峻的微縮挑戰；再加上由於這些儲存技術與邏輯運算單元之間發展速度的失配，嚴重限制了計算性能和能效的進一步提升。

因此，業界開始對新型儲存技術寄予厚望，越來越多的新型技術迅速湧現。

目前主流的新型記憶體主要包括四種：阻變記憶體（ReRAM/RRAM），相變記憶體（PCRAM），鐵電記憶體（FeRAM/FRAM），磁性記憶體（MRAM）。其中MRAM正成為當下主流的新型儲存技術，並且有專家預言，MRAM將帶來下一波的儲存浪潮。

01 MRAM的特點

MRAM是兼具DRAM和Flash特性的儲存介質，以下是MRAM的一些特定特質。

非易失：鐵磁體的磁性不會因為斷電而消失，故MRAM具備非揮發性。

讀寫次數無限：鐵磁體的磁性不僅斷電不會消失，而是幾乎可以認為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無限次重寫。

寫入速度快、功耗低： MRAM的寫入時間可低至2.3ns，且功耗極低，可實現瞬間開關機並能延長便攜機的電池使用時間。

和邏輯晶片整合度高： MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路晶片中，只需在後端的金屬化過程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全製作在晶片的金屬層中，甚至可以實現2~3層單元疊放，故具備在邏輯電路上建構大規模記憶體陣列的潛力。

02 和其他儲存相比，MRAM強在哪裡？

與SRAM相比，MRAM速度稍慢，但MRAM在速度上仍然具有足夠的競爭力，此外SRAM的設計更複雜，MRAM的密度更高，以及MRAM是非易失性的，而SRAM是易失性的，斷電就會遺失數據，MRAM則不會面臨這種困擾。

與DRAM相比，由於DRAM需要電容器充電/放電來完成讀寫，所以MRAM的讀/寫速度更快，在密度上MRAM和DRAM相似，但DRAM也是一種易失性記憶體。此外，MRAM的單元洩漏較低；與經常刷新資料的DRAM相比，MRAM的電壓要求也比較低。

與Flash相比，MRAM 與Flash同樣是非揮發性的，但是MRAM在耐高溫、資料保存，尤其是操作耐久度上，優於Flash。要知道MRAM具備寫入和讀取速度相同的優點，並且具有承受無限多次讀寫循環的能力。

與ReRAM相比，ReRAM隨機讀寫速度優於傳統記憶體，但要慢於MRAM和FRAM；同時ReRAM的讀寫次數約在100萬次左右，較傳統記憶體有數量級的增加，但少於MRAM的讀寫寫次數；其中密度和相應的成本是ReRAM的最大優勢；從成本方面看，MRAM由於材料的複雜性、密度瓶頸、抗磁幹擾等難點，其成本會較高。

與FeRAM相比，MRAM與其效能較為類似，但FeRAM的讀寫速度要優於MRAM，且可以維持較低的功耗，FRAM的劣勢則在於，其成本比MRAM還要高，所以它可以應用於一些非常特殊的市場。

PCRAM也是未來十年內最具潛力的新型儲存技術之一。 PCRAM 具有容量大、整合度高、速度快、功能低和成本低等優點，特別是與新型CMOS 製程相容。不過PCRAM也存在著一些明顯不足之處，特別是寫入操作速度無法與DRAM相媲美，寫入耐久性也與DRAM相差較大等。寫耐久性差是將其大規模應用於電腦系統所面臨的主要障礙之一，目前國內外研究人員正在研究一些解決方案來應對。就目前來說，PCRAM的商業化程度還沒有MRAM高。

當然，MRAM也並非沒有缺點，它還面臨許多的挑戰，例如真實裝置材料體系複雜、開關比低，CMOS製程要完全匹配等。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。

當下的MRAM 家族成員包含三類：自旋轉移扭力(spin-transfer torque ：STT)、自旋軌道扭力(spin-orbit torque：SOT)、電壓控制（VCMA-和VG-SOT）。

在非揮發性記憶體的其他有前景的選擇中，STT-MRAM長期以來一直是上層高速緩存記憶體（L3 及以上）和記憶體中非揮發性運算的競爭者，這種記憶體變體使用自旋極化電流透過隧道結將磁化強度轉移到記憶體單元。因此，STT-MRAM 的能耗比透過感應電磁場進行記錄的傳統MRAM 記憶體的能耗低幾倍。

SOT-MRAM是從更成熟的自旋轉移矩STT-MRAM演變而來的，由於具有更好的耐久性和兩個二進位狀態之間更快的切換速度，因此具有更好的快取應用前景。

STT-MRAM和SOT-MRAM之間的主要差異在於寫入所使用的電流注入幾何結構。 STT-MRAM中的電流是垂直注入MTJ的，SOT-MRAM的電流注入則發生在平面內，在相鄰的SOT層中－典型情況是像鎢(W)這樣的重金屬層。因此SOT-MRAM中的讀寫路徑是去耦的，顯著提高了裝置的耐久性和讀取穩定性。平面型電流注入則消除了STT-MRAM工作時的開關延遲。 2018年，imec首次展示了開關速度快至210ps的高可靠性SOT-MRAM，這種裝置具有增強的耐久性(＞5×1010的開關週期)和300pJ的運作功耗。

03 晶片巨頭研究進程

目前台積電、英特爾、三星、格芯、聯電等各大晶片廠商對於MRAM的佈局，研發以及生產都在如火如荼地展開。

台積電SOT-MRAM技術問世，功耗僅STT-MRAM的1%

早在2002年，台積電就與台灣工研院簽訂了MRAM合作發展計畫。 2018年，台積電進行了eMRAM晶片的“風險生產”，2019年生產採用22nm製程的eReRAM晶片。

在ISSCC 2020上，台積電又發表了基於ULL 22nm CMOS製程的32Mb嵌入式STT-MRAM。該技術基於台積電的22nm ULL（Ultra-Low-Leakage）CMOS工藝，具有10ns的極高讀取速度，讀取功率為0.8mA/MHz/bit。對於32Mb數據，它具有100K個循環的寫入耐久性，對於1Mb數據，具有1M個循環的耐久性。它支援在260°C下進行90s的IR回流焊，在150°C下10年的資料保存能力。它以1T1R架構實現單元面積僅0.046平方微米，25°C下的32Mb陣列的漏電流僅為55mA。

台積電研發STT-MRAM解決方案主要是用來克服嵌入式快閃記憶體技術的擴展限制。之後台積電又成功開發出22奈米和16/12奈米製程的MRAM產品線，並獲得了大量來自記憶體和車用市場的訂單。除此之外，台積電也正在積極探索SOT-MRAM和VC-MRAM，並與外部研究實驗室、財團和學術合作夥伴合作。

2022年6月，台灣工研院與台積電合作開發的低壓電流SOT-MRAM，具有高寫入效率和低寫入電壓的特點，其SOT-MRAM實現了0.4奈秒的寫入速度和7萬億次讀寫的高耐久度，還可提供超過10年的資料儲存壽命。

就在近日（1月18日），台積電攜手工研院宣布成功研發出自旋軌道轉矩磁性記憶體（SOT-MRAM）陣列晶片，標誌著下一代MRAM記憶體技術領域的重大突破。這款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%。

工研院與台積電的合作使得SOT-MRAM在工作速度方面達到10ns，進一步提高了存內運算效能，成功跳出了MRAM的傳統限制。這次SOT-MRAM的推出將進一步鞏固台積電在記憶體晶片領域的市場地位。

這項突破性技術的應用領域廣泛，特別適用於高效能運算、人工智慧、車用晶片等領域。隨著AI、5G時代的到來，對更快、更低功耗的新一代記憶體晶片的需求不斷增加，而SOT-MRAM正好迎合了這一趨勢，成為應對未來科技挑戰的重要利器。

三星發佈業界首個基於MRAM的存內運算晶片

三星幾乎與台積電同時出手，2002 年三星宣布開始MRAM的開發計畫。 2005三星又率先開始了STT-MRAM的研發，該技術後來被證明可以滿足高效能運算領域對最後一級快取的效能要求，被認為是突破利基市場的利器。

然而由於成本與製程的限制，讓三星的MRAM研發逐漸走向低調，在這段期間，與FinFET技術齊名的FD-SOI，在以Leti、Soitec、意法半導體為代表的歐洲半導體科研機構和公司相繼迎來技術突破，快速發展。

2014 年，三星與意法半導體簽訂28nm FD-SOI 技術（一種與FinFET 齊名的技術）多資源製造全方位合作協議，授權三星在晶片量產中利用意法半導體的FD-SOI 技術。當年，三星成功生產出8Mbe MRAM，並利用28nm FDS，在2019 年成功量產首款商用eMRAM。 2020 年，三星首批基於eMRAM 的商用產品上市，由其製造的Sony GPS SoCs(28nm FDSOI) 被用於華為的智慧手錶，以及由台積電採用22nm 超低漏電製程(ULL) 製造的Ambiq 低功耗MCU。

2022年10月，三星研究人員在14nm FinFET邏輯製程平台上實現了磁性隧道結堆疊的磁阻式隨機存取記憶體製造，據稱是目前世界上尺寸最小、功耗最低的非揮發性記憶體；此樣品資料寫入僅消耗每位元25pJ，讀取時有功功率需求為14mW，以每秒54Mbyte的資料速率寫入的有功功率需求為27mW，與該公司上一代28nm節點的MRAM相比，讀取時間加快了2.6倍。該研究的目標之一是證明嵌入式MRAM作為高速緩存記憶體適用於依賴大型資料集和分析的應用程序，例如邊緣AI。

近日，三星電子在頂尖學術期刊Nature 上發表了全球首個基於MRAM的存內運算研究。

存內運算無需資料在記憶體和處理器間移動，大大降低了AI 運算的功耗，被視作邊緣AI 運算的一項前沿研究。雖然MRAM 儲存裝置具備耐用性、可大規模量產等優勢，但其小電阻的特性阻礙了這類記憶體被用於存內運算。本次，三星電子的研究團隊透過建構新的MRAM 陣列結構，以基於28nm CMOS 製程的MRAM 陣列晶片運行了手寫數位辨識和人臉偵測等AI 演算法，準確率分別為98% 和93%。

在歐洲舉行的SFF 2023上，三星宣布了革新下一代汽車技術的願景，並計劃開發三星首款5奈米eMRAM。除了2024年推出14奈米eMRAM外，該公司還計劃進一步擴大eMRAM產品組合，2026年推出8奈米，2027年推出5奈米。對照14奈米製程，8奈米eMRAM可望將密度提升30%，速度提升33%。

多家佈置22nm STT-MRAM

英特爾也是MRAM 技術的主要推動者，該公司採用的是基於FinFET 技術的22 nm 流程。 2018 年底，英特爾首次公開介紹了其MRAM 的研究成果，推出了一款基於22nm FinFET 製程的STT-MRAM，當時，該公司稱，這是首款基於FinFET 的MRAM 產品，並表示已經具備該技術產品的量產能力。

2019年，Everspin與晶圓代工廠格芯合作，試生產28nm 1Gb STT-MRAM產品；2020年3月，雙方宣布已將共同開發的STT-MRAM裝置的製造，擴展至12 nm FinFET平台，透過縮小製程有助於雙方進一步拉低1 Gb晶片成本。 Everspin在資料中心、雲端儲存、能源、工業、汽車和運輸市場中部署了超過1.2億個MRAM和STT-MRAM產品。

2022年6月，瑞薩宣布已開發出用於STT-MRAM測試的電路技術使用22nm製程製造的具有快速讀寫操作的晶片。

2018年聯電與Avalanche Technology 宣佈建立合作夥伴關係，共同開發和生產MRAM，以取代嵌入式快閃記憶體。 2022年，聯電宣布與Avalanche Technology合作推出22奈米STT-MRAM，將應用於航太等領域。

04 MRAM的主要應用市場

MRAM在邊緣方面展現出獨特的優勢。邊緣運算在工業物聯網、機器人、穿戴式裝置、人工智慧、汽車以及便攜式設計等領域的應用正在不斷成長。伴隨著這些成長的是大家對高速、低延遲、非揮發性、低功耗、低成本記憶體（用於程式儲存和資料備份）的需求。

雖然有許多可用方案，包括SRAM、DRAM、快閃記憶體等,但這些技術都需要在一個或多個領域進行權衡，這對於邊緣運算來說，它們似乎都不太適合。 MRAM 將資料儲存在磁儲存單元中，提供真正的隨機訪問，並允許在記憶體中隨機讀寫。此外，MRAM 結構和操作具有低延遲、低洩漏、高寫入周期數和高保持率等特點，而這些恰恰都是邊緣運算非常需要的。

此外，MRAM是實現存算一體的理想記憶體之一。到目前為止，多種記憶體媒體被研究用於建構存算一體系統。 SRAM和DRAM是易失性元件，頻繁的刷新並不利於降低功耗。而Flash雖然是非揮發性的，但是隨著讀寫次數增加，浮柵氧化層會逐漸失效，反覆讀寫可靠度很低。因此，各種基於電阻改變的新型記憶體是實現存算一體的有效載體。

MRAM則是基於對電子「自旋」的控制，可以達到理論上的零靜態功耗，同時具有高速和非揮發性以及近乎無限的寫入次數。 MRAM在速度、耐久性、功耗這些方面具有不可替代的優越性。因此，MRAM是實現存算一體的理想記憶體之一。

05 取代DRAM和NAND？

隨著科技的快速發展，人們對電腦硬體的要求也越來越高。現在，許多人想要替換掉他們電腦中的記憶體和硬碟，因為它們不是最先進的技術。它們要么在斷電時丟失數據，要么存儲速度較慢。

從目前來看，MRAM似乎是那個給記憶體市場帶來驚喜的寵兒。因為MRAM結合了SRAM的速度、DRAM的密度和快閃記憶體的非揮發性。

不過，也要理性看待這項技術。

Rambus Labs高級副總裁Gary Bronner 曾為此做過解釋：「如今幾種新興記憶體技術已經發展到可以生產Mb 到Gb 密度的水平，其中包括相變記憶體，例如PCM 或3D Xpoint、MRAM 和ReRAM。然而，為了取代DRAM，這些記憶體需要具有與DRAM 相似的效能，但成本要更高。目前還沒有一種新興記憶體能夠證明取代DRAM 所需的成本和效能。MRAM正在尋找嵌入式快閃記憶體的替代品，其中MRAM 是性能更高、成本更高的選擇。”

整體來說，MRAM距離技術成熟還有一段距離，同時還未凸顯成本優勢，加上它新型儲存技術也在發展之中，只能說MRAM是現在最有希望的那一個，至於全面取代DRAM或NAND ，MRAM還有很長的路要走。(半導體產業縱橫)