什么是MRAM(磁阻随机存取存储器)?

MRAM(磁阻随机存取存储器)是一种利用磁状态来存储数据位的方法，而不是动态随机存取存储器(动态随机存取记忆体）.

通过结合高速静态随机存取存储器(静态存储器)和高密度的DRAM, MRAM可以存储更多的数据，比现有的电子存储器更快地访问数据，消耗更少的能源，有望显著改善电子产品。

MRAM始于1984年，当时Arthur Pohm博士和Jim Daughton博士都在Honeywell工作。科学家们设想了一种新型的非易失磁阻存储器，它提供了随机存取和高密度。1989年，多尔顿离开霍尼韦尔，成立了自己的公司Nonvolatile Electronics Inc.。他还与霍尼韦尔达成协议，将MRAM技术再授权。

MRAM在1995年得到了很大的提升，当时美国国防高级研究计划局(DARPA)向三个私人财团提供资金，研究将MRAM制造成高密度、高速和低功耗的通用存储器的可行性。该财团由IBM、摩托罗拉和霍尼韦尔牵头。

从那时起，惠普企业、松下、NEC、富士通、东芝、日立、西门子等公司都对MRAM技术进行了投资。MRAM的一些最显著的进步来自于一些较小的公司，如Everspin Technologies Inc.和Avalanche Technology。例如，Everspin目前在航空航天、汽车、医疗设备和智能能源等行业拥有1300多家客户使用Everspin MRAM设备。

MRAM的用途是什么?

MRAM已经存在很多年了，但它的应用一直很缓慢，部分原因是制造方面的挑战，但也因为芯片存储的数据相对较少，只适合特定的使用情况。即便如此，MRAM仍在稳步进军多个行业:

• 航空航天
• 国防
• 汽车
• 机器人
• 消费电子产品
• 医疗设备
• 物联网
• 边缘计算
• 工业操作及自动化
• 能源管理和自动化
• 存储控制器和缓存
• 人工智能和机器学习

MRAM可以帮助解决其他存储技术的挑战。它有潜力取代DRAM和SRAM，而且它击败了对手快闪记忆体在性能和耐久性方面。MRAM也消耗相对较低的能量，而且抗辐射。因此，MRAM可以潜在地有利于许多使用案例，如汽车动力系统，飞机黑匣子或医疗设备，如呼吸机或射频识别标签。

尽管有这些好处，MRAM仍然是一项新兴技术，它的全部潜力还需要几年的时间才能实现。由于这个原因，它在一些行业比其他行业获得了更大的收益，而这些行业仍处于早期发展阶段。但现在对MRAM有很大的兴趣，许多公司认为这项技术有足够的前景来保证进一步的研究、开发和投资。

MRAM是如何工作的

与DRAM不同的是，DRAM使用电荷来确定一个位是一个二进制1或0，磁阻存储器采用一对铁磁金属板，由一层薄绝缘材料层隔开。科学家将一种金属定义为磁阻金属，如果它在磁场中显示出电阻的微小变化。

两个极板和绝缘层一起形成磁隧道结(MTJ)。一个板块被称为固定层——或参考层——因为它的磁性方向永远不会改变。另一个板被称为自由层，因为当偏置作用于MTJ时，它的磁性方向会发生改变。两个磁场的方向决定一个二进制位是1还是0。

MRAM器件由一组mtj组成，mtj由位线和字线连接构成电路。这类似于集成电路中的晶体管阵列组成随机存取存储器(内存）.

MTJ之所以有效是因为量子这就是所谓的电子隧穿现象。绝缘层只有几层纳米厚度，允许电子从一个板穿过到另一个板。调谐的程度是由每个板的磁场方向是否平行决定的。当固定层和自由层磁平行时，MTJ处于低电阻状态。当它们不平行时，MTJ处于高电阻状态。电的变化电阻确定一个二进制位是1还是0。

MRAM的读写速度比DRAM快。它耗电更少，是非易失性存储器。由于这些原因，MRAM被认为是一种“通用内存”，它可以潜在地容纳从系统计算到存储的广泛用例。MRAM也胜过NAND闪存。

它提供了卓越的性能，不会磨损像闪光．从理论上讲，MRAM可以被读写，直到物理材料退化为止。

STT-MRAM是什么?

早期的MRAM系统使用电流来诱导MTJ中的磁场来读取或写入细胞，但这种方法需要更多的功率，比现代计算机系统的理想功率要高。目前，许多研究和开发工作都集中在读写MRAM单元的自旋传递扭矩(STT)技术上。

传统MRAM器件观察的是电子从一个MTJ层流动到另一个MTJ层所引起的电荷。相反，自旋传递扭矩MRAM (STT-MRAM)着眼于转矩通过流动中电子的角动量或自旋作用于可变层。从MTJ中的一个极板到另一个极板的电子流的足够的自旋可以改变第二个极板的磁方向。

使用STT的MTJ比电诱导的MTJ耗电量少得多。此外，STT-MRAM可以做得更小，允许使用它的存储设备有更大的存储密度。

然而，为了实现高速运行，STT-MRAM需要比商业上更大的功率，以使其成为许多DRAM应用的替代品。尽管如此，STT-MRAM已经开始在DRAM领域取得重要进展。例如，一些企业闪存阵列现在使用STT-MRAM而不是DRAM作为写缓存。这样就不需要后备电源和功率损耗电路，而DRAM在用作存储缓存时需要后备电源和功率损耗电路。

MRAM和DRAM的区别是什么?

DRAM等传统的RAM计算机芯片只要有电流流过就可以存储信息。一旦电源关闭，信息就会丢失，除非它已经被复制到非易失性存储．相反，MRAM在切断电源后仍然保留数据。

用MRAM代替DRAM可以防止数据丢失，也可以不用等待软件启动就立即启动计算机。

与DRAM相比，MRAM的非易失性是其最大的卖点之一。然而，MRAM还可以提供更好的读写速度，并在更低的电压下运行，而且它有潜力提供更大的可伸缩性。此外，MRAM不像DRAM那样需要定期充电刷新。

MRAM的当前状态

目前市场上有许多可商用的MRAM产品，这一趋势始于2012年，当时Everspin推出了64 Mb STT-RAM模块。(Everspin在其针对特定产品的营销材料中使用了首字母缩写ST-MRAM。)Everspin模块完全兼容当时标准的DDR3 RAM接口，并封装在典型的DDR3形状中。

2013年，Buffalo Americas Inc.成为首家宣布Everspin ST-MRAM模块商业化应用的公司，将其用于串行先进技术附件(萨塔III固态驱动器为高速缓冲存储器．

IBM和三星于2016年7月共同宣布，可以制造出11纳米级的MRAM设备。同年4月，三星宣布将很快推出MRAM产品。另一个重要的里程碑是在2018年12月，当时Everspin发布了世界上第一个28纳米1 Gb STT-MRAM芯片的预生产样品。这是在40纳米256mb STT-MRAM成功商业化之后。

自那以后，MRAM一直保持着上升的势头。在2020年12月的IEDM 2020会议上，IBM宣布了首个用于解决内存计算瓶颈的14 nm节点STT-MRAM混合云系统。2021年9月，Avalanche Technology宣布将与linearasic合作开发用于太空级MRAM产品的芯片。