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電子發燒友網報道（文/周凱揚）磁性隨機存儲器（MRAM）已經有了多年的發展歷史，最早可以追溯到1984年，Arthur Pohm和 Jim Daughton兩人在霍尼韋爾打造出了首個磁阻存儲器設備。與SRAM和DRAM等易失性存儲器不同，MRAM在保證非易失性的同時，還能同時擁有SRAM的高速讀寫性能和DRAM的高度集成度。

MRAM的分類與優勢

第一代MRAM為Toggle（觸發型）MRAM，但由于結構設計的原因，在耐久性、讀寫循環性能和成本上，Toggle-MRAM都不算是一個完美的方案，所以并沒有獲得什么大的商業成功。不過由于所有MRAM都具備的抗輻射特性，Toggle-MRAM還是在太空應用上有所貢獻的。

約莫20年前，STT-MRAM（自旋轉移矩磁性隨機存儲器）的出現，為MRAM的成功商業化邁出了重要的一步。STT-MRAM采用了將自旋電流誘導至自由磁性層從而改變磁取向，在密度、非易失性上都有著極佳的性能表現，STT-MRAM也因此被視為替代SRAM緩存的方案之一。

不同大小的SRAM與STT-MRAM讀寫能耗比較 / imec

imec曾展示過一個以STT-MRAM作為L3緩存的設計，其中在5nm工藝節點下，STT-MRAM完全可以滿足HPC應用上對L3的讀寫性能要求，與此同時STT-MRAM的占用面積卻只有SRAM的43%，在大容量的配置下也更加節能。

不過低開關速度還是STT-MRAM一個最大的痛點，這也就是為何imec和英特爾公開展示過的STT-MRAM都是用于替代L3和L4的，而不是速度更快的L1或L2。為了打造更快的MRAM，SOT-MRAM（自旋軌道矩磁性隨機存儲器）也就應運而生了。

SOT-MRAM改變了寫入電流的方向，完成了讀寫解耦，消除了STT-SRAM在開關延遲上的限制，可實現ns以下的開關速度。可為了實現這樣的優勢，就不得不面臨面積增加，所以如果能在密度上進行突破，就真的有可能實現對L1/L2緩存的替代，這也是各大晶圓廠研究的方向。

生產制造開始加速

對MRAM的普及起了最大限制的，還是制造工藝，哪怕對于臺積電、英特爾等頂級晶圓廠來說，也仍在摸索階段，尤其是SOT-MRAM設備。STT-MRAM的制造工藝目前已經基本完善，相關產品的出貨和新品發布也都逐漸鋪開了，比如康盈半導體就在近日發布了自己的MRAM產品智能引擎全芯小精靈，發力微控制領域。

再以上面提到的臺積電為例，臺積電已經開發并提供了STT-MRAM的解決方案，用于克服嵌入式閃存在擴展性上的限制。但對于SOT-MRAM和VC-MRAM來說，哪怕是臺積電也仍在聯合第三方研究實驗室和學術界合作伙伴共同研究。根據臺積電的說法，他們的SOT-MRAM方案是基于高速（開關速度小于2ns）二進制存儲來實現的，相較于傳統的6T-SRAM來說，密度可提升至5.3倍。

三星嵌入式MRAM / 三星

Everspin作為全球領先的MRAM開發商和制造商，已經有了十數年的MRAM開發歷史，也在近日宣布將在美國印第安納州建立新的MRAM工廠，用于擴大Toggle-MRAM和STT-MRAM的產能。三星也在2019年就開始了嵌入式MRAM的量產，當時的水平是基于28nm工藝，在今年的IEDM 2022上，三星宣布已經將其MRAM技術推進至了14nm FinFET工藝，與上一代相比，面積改善33%的同時實現了2.6倍的讀取速度增幅。

小結

MRAM雖然已經開始發力了，但仍需要得到下游市場的廣泛認可，不能單憑幾家大廠每年在行業會議上做的報告就斷定這一技術已經成熟，因為在結構和材料上，MRAM還有很長的一段路要走。即便如此，商業化的道路是必須先行的，無論是做嵌入式存儲還是緩存，MRAM可以從這幾年可穿戴、HPC和存算一體市場的發展中收獲更多機遇，否則擁有再大的產量也難逃“供大于求”的局面。