文章 |半导体行业对比随着机器学习、计算机视觉、自然语言处理等物联网应用和人工智能应用的兴起，处理器需要更频繁地访问内存和数据传输。
传统的冯·诺依曼计算机架构依靠总线在存储器和处理器之间进行数据传输。
面对此类数据密集型应用，通常很难平衡低延迟和高能效。
这种数据传输瓶颈现象通常被描述为“内存墙”和“电源墙”。
内存计算技术有望通过将处理器与内存更紧密地集成来克服这一性能瓶颈。
近年来，新型非易失性存储器（NVM）技术的出现，克服了早期基于存储器的内存计算解决方案的易失性、集成度和成本效益等问题，大幅提升了内存计算的性能。
加工。
磁性随机存取存储器(MRAM)作为一种新型NVM，具有近零静态功耗、读写速度高、兼容互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺等优点。
广泛应用于汽车电子、可穿戴设备等领域。
它已在其他领域实现商业化，被认为是最有前途的下一代存储器之一。
STT-MRAM和SOT-MRAM已应用于各种PIM架构中，目前MRAM技术的发展倾向于在先进技术节点提供更高的写入速度和更低的功耗。
MRAM的历史发展 磁性随机存取存储器（MRAM）是一种基于自旋电子学的新型信息存储器件。
其核心结构由磁隧道结和存取晶体管组成。
MTJ 呈现“三明治”结构，隧道层夹在两个磁性固定层和自由层之间。
其中，铁磁层材料一般采用CoFeB，隧道层材料为MgO。
固定层的磁化方向是恒定的，而自由层的磁化方向可以改变。
当固定层和自由层的磁化方向一致时，称为“平行状态”，MTJ的隧道磁阻（TMR）较低；当磁化方向不一致时，称为“反平行态”，TMR较高。
通过切换自由层的磁化方向来写入数据，并通过使电流通过结来测量磁阻来读取数据。
存取晶体管的栅极与字线连接，形成“1T1M”结构，实现存储单元选择。
由于MTJ翻转电流的不对称性，晶体管的写驱动电流也存在不对称性。
具有极快的开关速度、接近零漏电功耗、极高的可靠性等显着优势。
是实现存储与计算一体化技术的理想设备之一。
与大多数其他半导体存储技术不同，MRAM 中的数据以磁性状态（而不是电荷）存储，并通过测量电阻来感测，而不会干扰磁性状态。
使用磁态存储有两个主要优点：（1）磁场极性不会像电荷那样随时间泄漏，因此即使断电也能保留信息； (2)两种状态之间切换磁场极性时，电子和原子并没有发生实际的运动，因此不存在所谓的失效机制。
MRAM 中使用的磁阻结构与硬盘驱动器中使用的读取方法非常相似。
1972年，MRAM的基本概念被首次提出。
其存储单元是由各向异性磁阻（AMR：Anisotropic Magneto-resistance）制成的三层结构。
由于当时技术的限制，没有实用价值。
1988年，随着巨磁阻效应（GMR：Giant Magneto-resistance）的发现，MRAM的实用化得以实现。
但由于GMR材料与MOS管串联的阻抗低、分压能力低，通过增大尺寸来提高写入性能需要非常高的面积要求，这导致GMR在实际应用中仍然存在困难。
直到1995年，隧道磁阻效应（TMR：Tunneling Magneto-resistance）被提出，读写速度和集成度得到提升，推动MRAM走向实用化。
MRAM技术根据两种不同的写入方法可分为两代。
第一代MRAM的写入方式是磁场写入。
它利用导体中流动的正负电流方向产生磁化感应，使STT存储单元的MTJ自由层的磁化方向相对于固定层为同向和反向，从而表现出高、低两种阻抗状态。
用于访问数字逻辑“1”和“0”。
由于这种写入方式需要足够强的磁场感应，因此需要足够大的写入电流，即需要高电压进行写入，从而导致功耗增加。
同时，随着工艺尺寸和MTJ结尺寸的减小，相邻STT存储单元的可靠性问题变得严重。
通过增加间距来减少相互干扰，会降低MRAM的集成度。
因此，可靠性和集成度之间存在矛盾。
第二代MRAM的写入方式是自旋转移矩写入。
它利用自旋转移矩效应在磁性材料中诱发磁化翻转，即利用隧道结中不同方向流动的自旋极化电流来驱动软磁体磁化方向的变化，从而实现高低阻抗MTJ 交界处。
状态写入。
以这种方式写入的存储器称为自旋转移矩磁性随机存取存储器（STT-MRAM：自旋转移矩MRAM）。
与第一代MRAM依靠磁场写入不同，该方法依靠自旋转移矩效应，利用电流完成磁性薄膜的磁化方向翻转，从而实现不同的阻抗状态。
这种方法的最大优点是降低了对写入电压的要求，从而降低了功耗，并且避免了磁场感应带来的串扰问题，有效提高了集成度。
因此，磁存储器的研究自然而然地转向了自旋转移矩磁随机存储器的研究。
在第三代MRAM自旋轨道矩磁随机存取存储器（SOT-MRAM）中，电流穿过底层重金属产生自旋电流并将其注入自由层。
自旋轨道矩用于扰乱自由层的磁化方向，并结合多种方式来产生磁化方向的确定性反转。
与自旋转移矩存储技术相比，基于自旋轨道矩的存储技术具有读写能力对称、读写路径分离优化、亚纳秒级快速运算速度、写入功耗低等优点。
MRAM在存储和计算一体化方面的优势。
迄今为止，人们已经研究了多种存储介质来构建集成存储和计算系统，包括基于电荷存储原理的传统存储器和基于电阻存储原理的新型存储器。
传统存储器主要包括SRAM、DRAM和Flash。
其中，SRAM和DRAM属于易失性设备，频繁刷新不利于降低功耗。
Flash虽然是非易失性的，但随着读写次数的增加，浮栅氧化层会逐渐失效，重复读写的可靠性很低。
因此，各种基于电阻变化的新型存储器是实现存储与计算一体化的有效载体。
这些主要包括相变存储器（PCM）、电阻随机存取存储器（RRAM）和磁随机存取存储器（MRAM）。
PCM和RRAM基于原子级重建来改变电阻。
优点是它们有较大的电阻窗口，但缺点是读写速度和读写可靠性不如MRAM。
MRAM基于电子“自旋”的控制，理论上可以实现零静态功耗，同时具有高速、非易失性和几乎无限的写入次数。
MRAM在速度、耐用性、功耗等方面具有不可替代的优势。
因此，MRAM是实现存储与计算一体化的理想存储器之一。
MRAM的当前应用和未来估计随着自旋转移矩MRAM（STT-MRAM）的发明，MRAM向商业化迈出了重要的一步。
第一个商用磁性随机存取存储器产品是由 Everspin 的前身 Freescale Semiconductor 于 2006 年生产的 4 Mb 容量 Toggle-MRAM。
Everspin 随后推出了具有 SRAM 速度和闪存结构的非易失性 Toggle-MRAM。
其16位32Mb并行MRAM的写入周期时间高达35 ns，工作温度范围为-40~125°C。
它适用于工业和汽车应用。
Everspin于2012年生产出首款商用级64Mbit STT-MRAM内存芯片，并于2017年量产256Mb DDR3 STT-MRAM。
2017年集成40 nm CMOS，并于2019年量产。
28 nm上的1Gb DDR4 STT-MRAM CMOS。
Honeywell 和 Cobham（以前称为 Aeroflex）等其他公司也推出了自己的 MRAM 产品，这些产品也使用 Toggle-MRAM 单元和 SRAM 结构。
其中，霍尼韦尔采用特殊的抗辐射150纳米绝缘体上硅（SOI）CMOS技术，使其MRAM产品在卫星和其他航空航天应用中具有高可靠性和抗辐射性。
2014年在美国檀香山开幕的国际会议“2014年VLSI技术与电路研讨会（以下简称VLSI Symposia）”上，东芝采用STT-MRAM取代SRAM，使微处理器中的缓存功耗降低了近60% %。
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日本超低压元件技术研究联盟（LEAP）也在VLSI Symposia上实现了用STT-MRAM替代传统SRAM。
传统的STT-MRAM简单地通过蚀刻技术制造，但该技术会因MTJ尺寸的偏差而导致性能偏差。
因此，为了解决MTJ制造过程中的尺寸偏差问题，LEAP开发了一种新的刻蚀技术，显着减少了MTJ制造过程中的尺寸不均匀问题。
高通正在加速 STT-MRAM 技术的研究。
2015年，项目研究员Seung H. Kang发布了一款8Mbit混合STT-MRAM SOC芯片。
工作频率可达500MHZ，无软错误。
40nm工艺下，SOC适合混合STT-MRAM，如果工艺尺寸能够缩小到28nm，其性能可以与SRAM相媲美。
过去几年，晶圆代工厂和IDM厂商，包括台积电、英特尔、三星、SK海力士等，相继投入巨资进行MRAM研发。
此外，许多创新公司，如Everspin、Avalanche、Crocus和Spin Transfer Technology等也能够提供MRAM样品。
总体而言，STT-MRAM 已为 2×nm 节点的嵌入式存储器市场做好了准备。
2015年华为与SNIA（全球存储网络行业协会）联合举办的存储技术峰会上，2007年诺贝尔物理学奖获得者Albert Fert表示：存储技术的底层依赖的是核心技术和理论以突破存储瓶颈。
自旋转移矩技术取得重大突破。
基于DMI效应，STT-MRAM存储单元可以缩小到几纳米，显着提高磁存储器的集成度和性能。