存算一體：MRAM席捲而來

隨著物聯網應用和諸如機器學習、計算機視覺、自然語言處理等人工智慧應用的興起，處理器需要更加頻繁地對儲存器進行訪問與資料傳輸。傳統的馮諾依曼計算機體系架構依賴匯流排進行儲存器與處理器之間資料傳輸，在面對這類資料密集型應用時往往難以兼顧低延時與高能效。這一資料傳輸瓶頸現象常被描述為“記憶體牆”和“功耗牆”。存內計算技術透過更緊密地將處理器與儲存器進行結合，有望克服這一效能瓶頸。

近年來，新型非易失性儲存器（NVM）技術的出現，克服了基於早期儲存器存內計算方案在易失性、整合度、成本效益等問題，極大地提升了存內計算處理的效能。磁性隨機儲存器（MRAM）作為新型

NVM

的一種，具有接近零的靜態功耗，較高的讀寫速度，與互補金氧半導體（CMOS）工藝相相容等優點，在車用電子與穿戴裝置等領域已實現商業化應用，被認為是最有希望的下一代儲存器之一。STT-MRAM和SOT-MRAM已在各種PIM架構中得到利用，目前MRAM技術的發展趨向於在先進技術節點提供高的寫入速度和低的功耗。

MRAM的歷代發展

磁性隨機儲存器（MRAM）是一種基於自旋電子學的新型資訊儲存器件，其核心結構由一個磁性隧道結和一個訪問電晶體構成。MTJ 呈現“三明治”結構，兩層磁性固定層和自由層之間夾著一層隧穿層。這其中，鐵磁層材料一般使用 CoFeB，隧穿層材料則為 MgO。固定層的磁化方向是不變的，而自由層的磁化方向可以被改變。當固定層和自由層磁化方向一致時，稱為“平行狀態”，MTJ 的隧道磁阻（Tunnel Magnetoresist-ance，TMR） 為低； 當磁化方向不一致時，稱為“反平行狀態”，TMR 為高。資料的寫入透過切換自由層的磁化方向實現，讀取則透過使電流透過結來測量磁阻大小實現。訪問電晶體的柵極與字線相連，形成“1T1M”的結構來實現儲存單元的選擇。由於 MTJ 翻轉電流的不對稱性，電晶體的寫入驅動電流也有不對稱性。它具有極快的開關速度、近乎為零的洩露功耗、極高的可靠性等顯著優點，是實現存算一體化技術的理想器件之一。

與大部分其它半導體儲存器技術不同，MRAM中的資料以一種磁性狀態（而不是電荷）儲存，並且透過測量電阻來感應，不會干擾磁性狀態。採用磁性狀態儲存有兩個主要優點：（1）磁場極性不像電荷那樣會隨著時間而洩漏，因此即使在斷電的情況下，也能保持資訊；（2）在兩種狀態之間轉換磁場極性時，不會發生電子和原子的實際移動，這樣也就不會有所謂的失效機制。在MRAM中使用的磁阻結構非常類似於在硬碟中使用的讀取方式。

MRAM結構圖

在 1972 年，MRAM的基本概念首次被提出，其儲存單元是利用各向異性磁阻的特性（AMR：Anisotropic Magneto- resistance）製作出的三層結構。受當時技術的限制，還不具備實用性價值，到了 1988 年，巨磁阻效應（ GMR：GiantMagneto- resistance）的發現，MRAM 的實用性才得以實現。但由於 GMR 材料和 MOS 管串聯的鏈路中，阻抗低，分壓能力低，靠提高尺寸來增大寫效能對面積的要求非常高，這導致 GMR 在實際應用中仍然存在困難。直到 1995 年，提出了隧穿磁阻效應（TMR：Tunneling Magneto- resistance），讀寫速度和整合度才得以提高，將MRAM推向了實用性。依據兩種不同的寫入方式可以將 MRAM 技術劃分為兩代。

第一代 MRAM 的寫入方式是磁場寫入式。它利用導體中流過的正反兩個電流方向產生磁化感應，使得 STT 儲存單元的 MTJ 自由層相對固定層磁化方向為同向和反向兩個方向，從而表現出高低兩種大小的阻抗狀態用於存取數字邏輯“1”和“0”。由於這種寫入方式需要足夠強的磁場感應，因此需要足夠大的寫入電流，即需要利用高壓來進行寫，這導致了功耗的增大。同時隨著工藝尺寸的縮減以及MTJ 結尺寸的降低，相鄰 STT 儲存單元的可靠性問題變得嚴重，透過增大間距減小相互干擾則會降低MRAM 的整合度。因此，可靠性和整合度之間是一對矛盾。

第二代 MRAM 的寫入方式是自旋轉移矩寫入式。它是利用自旋轉移矩（spin - transfer torque）效應誘導磁性材料發生磁化翻轉，即利用流過隧道結中不同方向的自旋極化電流，驅動軟磁體磁化方向的改變，實現 MTJ 結高低阻抗狀態的寫入。這種寫入方式的儲存器，稱之為自旋轉移矩磁隨機儲存器（STT-MRAM：Spin Transfer Torque MRAM）。與第一代 MRAM 依靠磁場寫入的方式不同，這種方式是依靠自旋轉移矩效應，它利用電流來完成磁性薄膜的磁化方向翻轉，繼而實現不同的阻抗狀態。這種方式，最大的優勢是降低了對寫電壓的要求，從而也降低了功耗，並且避免了磁場感應引起的串擾問題，有效提高了整合度。因此對磁儲存器研究自然的過渡到了對自旋轉移矩磁隨機儲存器的研究。

第三代MRAM的自旋道矩磁隨機儲存器（SOT-MRAM），電流透過底層重金屬，產生自旋流並注入到自由層中，利用自旋軌道矩使自由層的磁化方向產生擾動，並結合多種方式讓磁化方向產生確定性的翻轉。相比於自旋轉移矩的儲存技術，基於自旋軌道矩的儲存技術具有對稱的讀寫能力、分離可最佳化的讀寫路徑、亞納秒的快速操作速度和低寫入功耗等優點。

MRAM在存算一體上展現出的優勢

到目前為止，多種儲存器介質被研究用於構建存算一體系統，包括基於電荷儲存原理的傳統儲存器和基於電阻儲存原理的新型儲存器。傳統儲存器主要包括 SRAM、DRAM和 Flash。其中 SRAM 和 DRAM 是易失性器件，頻繁的重新整理並不利於降低功耗。而 Flash 雖然是非易失性的，但是隨著讀寫次數增加，浮柵氧化層會逐漸失效，反覆讀寫可靠性很低。因此，各種基於電阻改變的新型儲存器是實現存算一體的有效載體。

這其中主要包括相變儲存器 （ Phase Change Memory，PCM ）、電阻記憶儲存器 （ Resistive Random Access Memory，RRAM）和磁性隨機儲存器 （ Magnetic Random Access Memory，MRAM） 。PCM 和 RRAM 基於原子層級重構來改變阻值，優點是有較大的阻值視窗，而缺點則是讀寫速度和讀寫可靠性要劣於MRAM。MRAM則是基於對電子“自旋”的控制，可以達到理論上的零靜態功耗，同時具有高速和非易失性以及近乎無限的寫入次數。MRAM 在速度、耐久性、功耗這些方面具有不可替代的優越性。因此，MRAM 是實現存算一體的理想儲存器之一。

MRAM當前的應用及未來預估

隨著自旋轉移矩 MRAM （STT-MRAM） 的發明，MRAM 邁出了商業化的重要一步。

第一個商業化的磁隨機儲存器產品是飛思卡爾半導體公司（FreescaleSemiconductor）於2006 年生產 的4 Mb 容量Toggle-MRAM ，該部門是Everspin 的前身。之後Everspin 公司推出了具有SRAM 速度和 快閃記憶體結構的非易失的Toggle-MRAM ，其16 位32Mb並行MRAM 具有最高35 ns 的寫入週期時間，工作溫度範圍為-40~125°C ，適用於工業和汽車應用。Everspin 在 2012 年就生產出了首個商業級的 64Mbit 的 STT-MRAM 儲存器晶片並在2017年大批次生產了256Mb DDR3 STT-MRAM，並於2017年集成了40 nm CMOS，並在2019年批次生產了28 nm CMOS上的1Gb DDR4 STT-MRAM。

霍尼韋爾（Honeywell）和Cobham（前身為Aeroflex）等其他公司也推出了自己的MRAM 產品，它們同樣使用Toggle-MRAM 單元和SRAM 結構。其中霍尼韋爾採用特殊抗輻照的150 nm 絕緣體上矽（silicon oninsulator，SOI）CMOS 技術，使其MRAM 產品在衛星和其他航天應用中具有很高的可靠性和輻射抗性。

東芝公司在 2014 年的美國檀香山開幕的國際會議上“2014 Symposia on VLSI Technology and Circuits（以下稱 VLSI Symposia）”用 STT-MRAM 代替 SRAM，使得微處理器中的快取記憶體功耗降低了近 60%。日本超低壓元器件技術研究聯盟（LEAP）在 VLSI Symposia 上同樣實現了用 STT-MRAM 對傳統 SRAM的替換。傳統的 STT-MRAM 單純採用蝕刻技術來製造，但這種技術會由於 MTJ尺寸的偏差導致效能偏差。因此，為解決 MTJ 製造工藝中的尺寸偏差問題，LEAP研究出了全新的蝕刻技術，顯著降低了 MTJ 製造過程中尺寸不均勻的問題。

高通正在加速研究 STT-MRAM 技術。2015 年專案研究員 Seung H。 Kang 釋出了一款 8Mbit 混合 STT-MRAM 的SOC 晶片 。在沒有軟錯誤的情況下，工作頻率可以達到 500MHZ。在 40nm 工藝下，適用於混合STT-MRAM 的 SOC，若工藝尺寸可以降到 28nm，那麼其效能可以與SRAM 相媲美。

2017-2020年的MRAM的公開晶片情況

在過去幾年裡，包括臺積電、英特爾、三星、SK海力士等晶圓代工廠和IDM，相繼大力投入MRAM 研發。

此外不少創新公司，如 Everspin，Avalanche， Crocus， Spin Transfer Technology 也已能夠提供 MRAM 樣品。整體上，STT-MRAM 已經在 2×nm 節點的嵌入式儲存市場準備就緒。

華為與 SNIA（全球網路儲存工業協會）在2015 年共同舉辦的儲存技術峰會上，Albert Fert（2007 年諾貝爾物理學獎獲得者）表示：在儲存技術底層是依靠核心技術和理論突破儲存瓶頸。自旋轉移矩技術取得了重大突破，基於 DMI 效應的方式使得 STT-MRAM 儲存單元可以縮放到幾奈米，顯著的提高了磁儲存器的整合度和效能。