下一代内存是什么

目前，DRAM、闪存和 SRAM 等传统内存仍然是市场上的主力技术。在当今系统中的内存层次结构中，SRAM 在处理器中被用作实现高速数据存取的缓存；DRAM 是下一层，用作主内存。而磁盘驱动器和基于 NAND 的固态存储驱动器（SSD）则用于存储。

自 1990 年代以来，MRAM 就一直是人们研发的几种下一代内存技术类型之一。这些都是能提供无线耐久性的非易失性技术。和闪存一样，它们可以在系统电源关闭之后保留数据。相反，DRAM 是易失性的，在电源关闭后会丢失数据，尽管其中的信息会在之前迁移到存储设备中。

除了 MRAM 之外，其它下一代内存技术包括碳纳米管 RAM、铁电 RAM（FRAM）、相变 RAM 和电阻 RAM（ReRAM）。碳纳米管 RAM 使用纳米管在器件中形成电阻状态。而 FRAM 使用铁电电容器（ferroelectric capacitor）来存储数据。来自英特尔和美光的 3D XPoint 技术就是下一代相变内存的一种。另一种技术 ReRAM 则基于电阻元件构成的电子开关。尽管这些技术很有希望，但其中很多技术所需的开发时间超过了预期。不过，将来这些技术中大部分甚至全部都很可能找到某种程度的应用空间。并没有任何一种单一的技术能够满足所有需求。

MRAM技术

MRAM，即磁阻随机存储器（Magnetoresistive random-access memory），是一种非易失性(Non-Volatile)的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。

Toggle MRAM

第一代MRAM，是Toggle MRAM，即使用 toggle memory switching。Toggle MRAM 由一个晶体管（ transistor）和一个MTJ（Magnetic Tunnel Junction, 磁性隧道结） 结构组成。

那么什么是MTJ呢？

见下图，MTJ的基本单元就是这样的三层结构，最下面一层是自旋方向固定的一层（你可以认为就是磁性方向固定），中间是隧穿层，最上面的自旋方向可以发生变化，要么向左，要么向右。熟悉的朋友一下就反应过来了，这不就是二进制么，一个bit就这样形成了。

那么如何读取和写入上面那层的磁性方向呢？MTJ结构正好有这样一个有意思的特性，当上下两层磁性层自旋方向一致时，MTJ结构的电阻很小；而二者自旋方向相反时，MTJ结构的电阻很大。因此可以通过对比每个MTJ单元的电阻来读取数据。写入数据的过程如下图，相互垂直的一系列电流相当于经纬线，通过严格控制电流，可以精确地在二者相交的地方产生合适的磁场，从而改变最上面一层的自旋方向，但不会干扰到相邻的MTJ单元。

Toggle MRAM可以有效抵抗高辐射以及高温环境，因此可以用于军事以及航天领域。

Toggle MRAM有这样两个特点：

>制程容易实现

>尺寸比较大，因此集成度不高

ST-MRAM

第二代MRAM，是ST-MRAM，也有叫STT-MRAM，全称是Spin Torque MRAM（自旋扭矩MRAM）。基本组成单位也是MTJ，但写入方式与Toggle MRAM不同，ST-MRAM使用自旋极化的电流来控制最上层的自旋方向，听着就很高大上吧。电流通过一定的层状结构就会实现自旋的极化，即电流中的电子的自旋方向都一样！ST-MRAM相比上一代MRAM而言，写入能耗大幅降低，并且尺寸也减少很多。Everspin公司就使用了垂直磁各向异性MTJ（PMTJ）技术实现了高密度，低能耗的MRAM存储设备。

总结一下，ST-MRAM的特点是：

>基本上无限的耐久性

>更加节能，低电压就能实现高速度（与DRAM速度相当）

>尺寸更小，可以实现高集成度尺寸更小，可以实现高集成度

>对CMOS友好

但 STT-MRAM 也面临着以下难题：

>复杂的薄膜堆叠方式

>较窄的传感区间

>回流焊接滞留

这是Everspin公司的一张各种存储技术的特征对比图：

可见MRAM的写入速度与常见的DRAM相当，并且我们知道DRAM，尤其SRAM相当的耗费能量，因此MRAM从原理上的得天独厚的优势，是其实现产业化的一大主要原因。这里是Semico Research的统计数据：

这是历年来SoC（系统级芯片）的能耗占比，绿色是存储部分的能耗。可见当下降低系统芯片能耗的关键在于有效减少存储器的能耗。DRAM和SRAM需要通电维持数据的存储，而MRAM不需要一直通电，最上面那层（Free layer）的自旋方向不会因为断电而改变。

MRAM的市场前景

1996年，IBM科学家 John Slonczewski 发明了 the ST-MRAM 并且在学术杂志Journal of Magnetism and Magnetic Materials发表论文 “Current-driven excitation of magnetic multilayers”。

1998 – Motorola 制造出 256Kb MRAM 测试芯片。

2006年，飞思卡尔半导体（Freescale）公司开售世界第一个市场化的MRAM芯片——MR2A16A（下图）。该芯片容量4 Mbit，售价$25。写入/读取速度 35 ns, 制程是180纳米，4Mbit的芯片大小是1.26 平方微米。

目前Everspin公司在售64Mb和256Mb的DDR3 ST-MRAM。

在2016年，三星（Samsung） 展示了一款使用了tCON芯片的LCD 显示器（下图）。与之前使用SRAM的芯片不同，该款芯片内有28nm制程的pMTJ STT-MRAM。这款MRAM使用8Mb的MRAM单元，大小为 0.0364 平方微米。 tCON芯片，即 timing controller 芯片，是用来处理视频信号的输入过程，并且将输入的视频信号转化为控制LCD显示屏的控制和门驱动信号。

三星准备了同时装配SRAM和MRAM的测试芯片，用来证明二者并无区别。取代高耗能，大尺寸的SRAM成为了MRAM的一大市场方向。

2016年7月，IBM和三星联合开发11纳米pMTJ的MRAM（下图）。可以仅仅使用7.5微安培的电流驱动， write-error-rate为7×10-10 （使用10 纳秒脉冲信号）。IBM 宣布ST-MRAM的时代已经到来。

2017年8月，Everspin公司发布消息，已经开始对新产品1G容量的ST-MRAM EMD4E001G进行采样工作。这个最新的ST-MRAM 产品较之前的256Mb DDR3 ST-MRAM其容量扩大到4倍。新产品使用28nm CMOS制程（300mm wafer），代工厂是格罗方德（GLOBALFOUNDRIES）。

据消息，台积电 (TSMC) 计划在2018年开始量产22nm制程的MRAM芯片。

据消息，三星宣布2018量产ST-MRAM。

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