当今世界85%的信息被保存在硬盘中，你有没有想过有那么一天，即便塞爆硬盘，也存不下来现在的数据？

很难想象，1971年到1996年人们还在使用只有1.44MB的磁性软盘。现在，虽然NAND Flash称王，人们能存得越来越多，读取得也越来越快，但也愈遇瓶颈。随着制程技术愈发逼近1nm，硬盘容量提升越来越难，人们不断把硬盘内的NAND Flash芯片“堆高高”，从另一个维度提升硬盘容量。

但技术瓶颈依然存在，此时就需要新的技术，备受瞩目的技术，便是MRAM（磁阻存储器）。对，没错，人们兜兜转转又将希望放到了“磁”上。

新时代的王

其实，除了我们熟知的内存（DRAM）和SSD（NAND Flash），科学家和业界一直都想换掉你电脑里的内存和硬盘，因为它们并非完美的技术，要么断电丢失数据，要么存得比较慢。

为此，新型存储便横空出世。新型存储器主要包括4种：阻变存储器（ReRAM/RRAM），相变存储器（PCM），铁电存储器（FeRAM/FRAM），磁性存储器（MRAM）。

MRAM就是新型存储中非常重要，且离产业很近的一种，简单说，就是更强更快。不过，存储界并不存在什么六边形战士，所以都是看应用需要什么，选择什么技术。

MRAM是一种非易失性存储技术，它被称为“全能手”，顾名思义，是因为MRAM什么都会做一些。

SRAM虽快，但容量极低；DRAM结构简单，但也被易失性所困；非易失性、大容量的Flash则耐久有限，同时随着制程逐步逼近极限而无限触碰极限。

而MRAM有着介于SRAM和DRAM两种易失性存储技术之间的速度和面积，同时拥有读写次数无限、写入速度快、功耗低、抗辐射和逻辑芯片整合度高的特点。此外，目前MRAM实验室耐温可达-40℃~150℃，覆盖了车规芯片的-40℃~120℃。

当然，MRAM也并非没有缺点，它还面临很多的挑战，比如真实器件材料体系复杂、开关比低，CMOS工艺要完全匹配等。此外，MRAM的发展仍然遇到动态功耗、能量延迟效率和可靠性方面的瓶颈。

与传统的RAM不同，MRAM不以电荷或电流存储数据，而是由磁性隧道结MTJ (Magnetic tunnel junction）磁性存储数据。

现在，MTJ存在各种各样的结构，这也是MRAM复杂所在。

目前，MRAM分为三代：第一代为MRAM，叫做磁场的驱动型MRAM；第二代为STT-RAM（自旋转移扭矩），通过通入垂直于隧道结的电流使得磁矩发生翻转；第三代MRAM技术分为两种，分别为通过在重金属层中通入面内电流使得磁矩发生翻转的叫自旋轨道矩MRAM（SOT-MRAM）和通过施加电压改变磁各向异性使得磁矩发生翻转的叫做压控磁各向异性MRAM（VCMA-MRAM或MeRAM）。

MRAM发展已有很长的历史，在IoT嵌入式存储领域拥有诸多应用，近年来基于自旋矩转移的STT-MRAM成为了主流，同时第三代的SOT-MRAM正在逐渐产业化。

MRAM的应用场景主要是取代现有的一些存储技术。比如说，可以用于替代DRAM或者SRAM，使其在断电情况下也能保存数据，MRAM在读写速度与耐久度方面有明显的优势。

工业领域，应用需要具有非常快的写入能力，且需要非易失性存储，但NAND、NOR和 EEPROM写入慢，耗电多，还要额外搭配电池的SRAM，此时MRAM的优势就体现出来了。

在自动驾驶、AI兴起的现如今，对存算都要求计算更快，算力更强，这就需要让存储器嵌入到处理芯片（如MCU），从而以极短数据传输距离（纳米~微米量级）实现近内存计算。

MRAM在工艺上与CMOS高度兼容，可拿出一个金属层做MRAM而把其他金属层做处理器及逻辑电路，易于实现纳米~微米量级的极短数据传送距离，从而使AI计算的算力按数量级提升。所以自动驾驶仪和车载电子都是MRAM极好的应用场景。

新型磁阻材料展现出MRAM潜力

东北大学的一组研究人员推出了一种具有巨大磁阻的新材料，为非易失性磁阻存储器(MRAM)的发展铺平了道路。

隧道磁阻器件利用隧道磁阻效应来检测和测量磁场。这与磁隧道结中铁磁层的磁化有关。当磁铁对齐时，会观察到低电阻状态，电子可以很容易地穿过它们之间的薄绝缘屏障。当磁体未对齐时，电子的隧穿效率会降低并导致更高的电阻。这种电阻变化表示为磁阻比，这是决定隧道磁阻器件效率的关键指标。磁阻比越高，器件越好。

电流隧道磁阻器件包括氧化镁和铁基磁性合金，如铁钴。铁基合金在环境条件下具有体心立方晶体结构，并且在具有岩盐型氧化镁的器件中表现出巨大的隧道磁阻效应。

有两项使用这些铁基合金的显著研究，它们产生了显示高磁阻比的磁阻器件。第一次是在2004年由日本国立先进工业科学技术研究所和IBM合作；第二次发生在2008年，当时东北大学的研究人员报告称，室温下的磁阻比超过600%，当温度接近零开氏温度时，磁阻比跃升至1000%。

自这些突破以来，各研究所和公司在珩磨设备的物理、材料和工艺方面投入了大量精力。然而，除了铁基合金之外，只有一些赫斯勒型有序磁性合金显示出如此巨大的磁阻。

日本东北大学的Tomohiro Ichinose博士和Shigemi Mizukami教授最近开始探索热力学亚稳态材料，以开发一种能够表现出类似磁阻比的新材料。为了做到这一点，他们专注于钴锰合金的强磁性，这种合金具有体心立方亚稳晶体结构。

Mizukami说：“钴锰合金具有面心立方或六方晶体结构，作为热力学稳定相。由于这种稳定相表现出弱磁性，因此从未将其作为隧道磁阻器件的实用材料进行研究。”

早在2020年，该小组就报道了一种使用具有亚稳态体心立方晶体结构的钴锰合金的设备。

他们利用数据科学和/或高通量实验方法，在这一发现的基础上，通过在亚稳体心立方钴锰合金中添加少量铁，成功地在器件中获得了巨大的磁阻。磁阻比在室温下为350%，在低温下也超过1000%。此外，器件制造采用了溅射法和加热工艺，这与当前的行业相兼容。

Mizukami补充道，我们已经生产了第三种用于隧道磁阻器件的新型磁性合金，显示出巨大的磁阻，它为未来的改进设定了另一个方向。

未来市场潜力超百亿

随着可穿戴设备使用量的增加，5G、物联网(loT)和云服务等技术的发展，以及对内存更大、启动时间更快的先进计算系统的需求不断增长，这一市场正在发展。随着数字化不断改变行业，全球对尖端存储解决方案的需求也在上升。

磁阻随机存储器(MRAM)是一项很有前景的技术，因为它提供了快速、非易失性的存储能力。磁阻随机存储器 (MRAM)适用于广泛的应用，包括可穿戴技术、物联网(loT)设备和高端计算系统，因为它即使在断电时也能保持数据。这些技术的使用越来越频繁，这增加了对磁阻随机存储器 (MRAM)作为可靠和有效的存储解决方案的需求。

磁阻随机存储器 (MRAM)市场预计将大幅扩大，到2031年预计价值将达到191.893亿美元，从2021年到2031年的复合年增长率将达到36.6%。

国内能把握新机会吗？

MRAM无疑是具备“钱景”的。许多专家都预言，MRAM将带来下一波存储浪潮。

Menafn报道显示，MRAM市场将从此刻开始爆发，到2031年预计价值将达191.893亿美元，2021年~2031年复合年增长率将达36.6%。车用市场、物联网市场都是MRAM成长动能最高的领域。

Yole Developpement预测，2020年~2026年间，整体新兴非挥发性内存（NVM）市场的年复合成长率约为44%，随着新兴嵌入式NVM技术显著成熟，预估2026年eMRAM市场规模为17亿美元，约占整体新兴eNVM市场的76%。

磁存储器中国探索较早，早在50年代末到60年代初，国内就掀起了存储技术产业化的研发，虽然彼时没有MRAM这样的概念，但当时仿制苏联计算机的磁芯存储技术可以称作是最早的MRAM。

根据EEworld不完全统计，磁宇信息、驰拓科技、兴芯存储、凌存科技、致真存储、亘存科技几家表现值得关注，其中尤其后三家公司在最近拥有诸多动作。

2023年8月，致真存储自主研发的128Kb SOT-MRAM 芯片成功下线，是继1Kb SOT-MRAM流片成功后又一个重要的新一代磁存储技术工艺研制里程碑，围绕自旋轨道矩材料、磁性隧道结图案化、专用电路设计等实现多处技术突破；

亘存科技针对边缘侧、端侧的智能化需求，围绕“存储-计算-控制”布局“独立式MRAM存储芯片”和包含嵌入式MRAM的“AI SoC芯片”两条核心产品线，为消费、工业、物联网、汽车等领域的客户提供具备竞争力的高能效、智能化单芯片系列解决方案。其中，AI SoC的“超低功耗”版本运行功耗低至5uA/MHz，达到国际一流水平，可为广大电池供电的应用场景提供高性价比方案；

凌存科技已成功开发出世界首款高速、高密度、低功耗的存储器MeRAM原型机和基于MeRAM的真随机数发生器，其开发的高性能存储芯片广泛应用于车载电子、高性能运算、安全等领域，其还将存储介质、集成电路、系统及相关专利授权给有高效性运算以及安全芯片需求的公司自行开发相关产品；

磁宇信息是拥有pSTT-MRAM专用12寸薄膜制造/测试设备和pSTT-MRAM专用12寸刻蚀设备的公司，国外MRAM主要应用在固态硬盘内，实现固态硬盘性能大幅度提升，这也是磁宇信息产品的起点；

驰拓科技也已经有客户进行了量产，为嵌入式非易失性存储，用于MCU/SOC和慢速SRAM；

珠海兴芯存储（珠海南北极科技全资子公司）NV-RAM规格的MRAM技术，是国内第一家达到此规格的厂商，未来量产后可取代目前市场上由外商供应昂贵的FRAM、电源供应SRAM（BatteryBackup SRAM），NVSRAM；

中国科学院物理研究所团队则研制了一种磁矩闭合型纳米环状磁性隧道结，作为存储单元的新型MRAM原型器件。

总结来看，传统存储器市场受挫，国产选择了另辟蹊径，这是一个还没有那么“卷”的赛道。除此之外，MRAM的用途广，不论从嵌入式还是自动驾驶、AI，它都能驾驭。不止如此，MRAM还能用在存算一体之中，引发更大的芯片革命。或许，国产可以从这里切开存储市场垄断的口子。

我们需要新的存储技术

随着需求的增加，DRAM和flash似乎已经无法跟上生成的大量数据的需求。每个公司似乎都有存储层次结构的可视化表示，在这两种技术之间有一些差距。这个问题只会变得更糟。

上图:DRAM和NAND闪存之间可能存在多种非易失性内存技术。

分析师Mark Webb认为，DRAM将在未来五年内继续扩展。但是，它的速度正在放缓，而DRAM易失的事实为数据丢失打开了大门。至少NAND存储器具有持久性。但是随着flash规模缩放，耐用性和性能会受到打击。因此，确实没有一种技术是理想的。

作为回应，业界正在努力寻找一种通用内存，这种内存能够提供DRAM级的性能、数据持久性、无限的持久性以及比NAND的每比特成本更低。敬请期待。我们亟需一种新的存储方法。

而我们也必须承认，我们上面讨论的新兴记忆中没有一个符合所有这些条件，但两者的结合将保持大数据的流动。不过随着数据处理需求的增长，我们必须密切关注存储类内存和内存类存储之类的术语。在这些保护伞下，新出现的记忆将被分类，增强DRAM和NAND闪存。

而Energias Market Research预计，MRAM市场从现在到2025年将迅速增长，复合年增长率也将高达 49.6%，解释这个市场容量将达到12亿美元。Coughlin Associates预测，3D XPoint memory——Optane的核心技术——到2028年将把英特尔的收入提高到160亿美元。我们也的确需要新的内存来解决即将到来的闪存、DRAM和SRAM的限制。

各大新兴技术应该努力，因为未来也不一定只有一个赢家。

文章来源： 电子工程世界，邮电设计技术，科学头条，半导体行业观察