什么是磁阻随机存取存储器?

磁阻式随机存取存储器(MRAM)是一种利用磁态储存数据位的方法，而不是动态随机存取存储器(动态随机存取记忆体）.

结合高速静态随机存取存储器(静态存储器与现有的电子存储器相比，MRAM可以存储更多的数据、更快的数据访问速度、更低的能源消耗，有望显著改善电子产品。

MRAM起步于1984年，当时Arthur Pohm博士和Jim Daughton博士都在霍尼韦尔工作。科学家们设想了一种新型的非易失性磁电阻存储器，它可以提供随机存取和高密度。1989年，多尔顿离开霍尼韦尔，成立了自己的公司Nonvolatile Electronics Inc.。他还与霍尼韦尔签订了一项协议，转授MRAM技术。

1995年，当美国国防高级研究计划局(DARPA)为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内存的可行性时，MRAM得到了巨大的推动。该财团由IBM、摩托罗拉和霍尼韦尔牵头。

此后，惠普、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技术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。以Everspin为例，目前在航空航天、汽车、医疗设备和智能能源等行业使用Everspin MRAM设备的客户超过1,300家。

磁阻随机存取存储器(MRAM)是一种非易失性存储器，它使用磁态而不是电荷来存储比特。

MRAM的用途是什么?

MRAM已经存在了很多年，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，这使得它们只适合特定的用例。即便如此，MRAM已经稳步进入了一些行业:

• 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可以帮助解决其他内存技术的挑战。它有潜力取代DRAM和SRAM，而且它会胜出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，而且它能抵抗辐射。因此，MRAM可能会使许多用例受益，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，在其全部潜力被实现之前还需要几年时间。由于这个原因，它在一些行业获得了比其他行业更大的收益，而这些行业仍处于早期发展阶段。但是现在人们对MRAM很感兴趣，许多公司认为这项技术有足够的前景，值得进一步的研究、开发和投资。

MRAM是如何工作的

不像DRAM，它使用一个电荷来确定是否位是一个二进制1或0，磁阻存储器采用一对铁磁金属板，由一薄绝缘材料层隔开。科学家们将一种金属定义为磁阻金属，如果它在磁场中表现出微小的电阻变化。

两极板和绝缘层一起形成磁隧道结(MTJ)。其中一个板块被称为固定层或参考层，因为它的磁场方向永远不变。另一个板被称为自由层，因为它的磁方向可以改变时，偏压施加到MTJ。两个磁场的方向决定了二进制位是1还是0。

MRAM器件由一组MTJs组成，这些MTJs由位线和字线连接起来形成电路。这类似于集成电路中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种现象叫做电子隧穿。绝缘层只有几个纳米厚，可以让电子从一个板穿隧到另一个板。调谐的程度取决于每片板的磁场是否平行定向。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处于高阻状态。电的变化电阻在MTJ中确定二进制位是1还是0。

MRAM比DRAM能更快地执行读写操作。它还耗电更少，是一种非易失性存储器。由于这些原因，MRAM被认为是一种“通用内存”，可以潜在地容纳从系统计算到存储的广泛用例。MRAM也超过NAND闪存。

它提供卓越的性能，不会磨损像闪光． 理论上，MRAM可以被读取和写入，直到物理材料退化。

STT-MRAM是什么?

早期的MRAM系统使用电流诱导MTJ中的磁场来读写细胞，但这种方法需要的功率比现代计算机系统理想的要大。目前，大部分的研究和开发工作都集中在用于读写MRAM单元的自旋传递扭矩(STT)技术上。

传统的MRAM器件观察的是电子从一个MTJ层流向另一个MTJ层所引起的电荷。相比之下，自旋传递扭矩MRAM (STT-MRAM)着眼于转矩通过流中电子的角动量或自旋作用于可改变层。当电子从MTJ中的一个平板流向另一个平板时，如果有足够的自旋，就会改变第二平板的磁定向。

使用STT的MTJ比电诱导的MTJ耗电少得多。此外，STT-MRAM可以做得更小，从而在使用它的内存设备中实现更大的内存密度。

然而，为了在高速下运行，STT-MRAM需要比商业上可行的更多的功率来替代许多DRAM的使用。也就是说，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。这消除了备用电源和功率损耗电路的需要，这是DRAM在用作存储缓存时所需要的。

Everspin Technologies的EMD3D064M 64mb DDR3 ST-MRAM BGA封装

MRAM和DRAM的区别是什么?

传统的RAM计算机芯片，如DRAM，只要有电流通过，就能储存信息。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． 相比之下，MRAM在切断电源后保留数据。

如果用MRAM代替DRAM，就可以防止数据丢失，而且不用等待软件启动就可以立即启动计算机。

与DRAM相比，MRAM的非易失性使其成为其最大的卖点之一。然而，MRAM也可以提供更好的读写速度和更低的电压，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

目前市场上已经有许多商用MRAM产品，这一趋势始于2012年Everspin推出的64mb STT-RAM模块。(Everspin在其特定产品的营销材料中使用了缩写ST-MRAM。)Everspin模块完全兼容当时的标准DDR3 RAM接口，并封装在一个典型的DDR3形式因子中。

2013年，Buffalo Americas Inc.成为第一家宣布将Everspin ST-MRAM模块用于商业应用的公司，并将其用于系列先进技术附件(萨塔III固态驱动器作为高速缓冲存储器。

2016年7月，IBM和三星电子共同宣布，可以开发出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，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。这是在该公司成功将其40nm 256mb STT-MRAM商业化之后。

从那时起，MRAM就一直沿着这条上升的轨迹前进。在2020年12月的IEDM 2020会议上，IBM宣布了第一个14纳米节点STT-MRAM，用于解决内存计算瓶颈混合云系统。2021年9月，Avalanche Technology宣布将与LinearASICs合作开发太空级MRAM产品的芯片。