MRAM 能否成为未来唯一且通用的存储器？

存储芯片的新高地（嵌入式>>>自旋式）

三星自 2019 年起，开始量产 28nm 嵌入式 MRAM，在后面两三年内，将投入更大规模的量产。不甘落后的 SK海力士、英特尔、格芯也掌握了 22nm 嵌入式 MRAM 的量产工艺。但是，随着各公司研发，在 MRAM 进入 10nm 工艺制程之后，摩尔定律似乎就失效了，处理器性能翻一倍所需时间由原来的两年延至三年，半导体芯片产业发展遇到了技术瓶颈。而与此同时，以 MRAM 为代表的自旋芯片却在快速发展。自此，我们不禁想问，在后摩尔时代，自旋芯片有可能突破微电子器件的限制，成为主流芯片吗？

自旋芯片热（国内外 MRAM 近况对比）

自旋芯片具有高集成化、低功耗、高速度、高灵敏度、防辐射等优点，可将信息获取、传递、处理、存储等环节有机地结合在一起，具有巨大的市场前景。据介绍，传感器芯片、磁电信号耦合芯片、磁性逻辑及磁随机存储芯片等自旋芯片市场规模有望超过 1000亿 美元。

面对巨大的市场空间，全球掀起了以 MRAM 为代表的自旋芯片研发热潮。三星、SK海力士、美光、格罗方德、Freescale、IBM、英飞凌、TDK、东芝、索尼、瑞萨等众多海外高科技企业纷纷涌入，杭州驰拓、上海磁宇、中芯国际等国内企业也在积极布局，开展相关研究及产业化工作。

中国企业在自旋芯片领域也取得了一些成绩：

2017年，北京航空航天大学与中国科学院微电子研究所联合成功制备出国内首个 80nm STT-MARM 器件。

2018年，杭州驰拓、上海磁宇、中芯国际、华为等筹建自旋芯片的研发、生产线。

2020年，台积电在 ISSCC 2020 上呈现了基于 ULL 22nm CMOS 工艺的 32Mb 嵌入式 STT-MRAM。

除此之外，还有长江存储、长鑫存储、兆易创新等公司处于自旋芯片研发的早期阶段，还没有正式进入量产。赛迪智库集成电路研究所黄阳棋博士表示，中国自旋芯片产业与国外差距较大，目前尚无商用自旋芯片出货，全球 MRAM 专利申请前 50 均为国外机构（或个人）。

存诸多挑战（MRAM 研发难点）

自旋芯片中的 MRAM（磁随机存储器）共经历了 MRAM、STT-MRAM、MeRAM 三个发展阶段。北京航空航天大学集成电路科学与工程学院院长赵魏胜表示，目前，MRAM 和 STT-MRAM 已经产业化。MRAM 在航空航天领域具有广泛的应用，STT-MRAM 也已实现量产，但其仍面临着材料、器件制备、电路设计及系统级整合等方面的挑战。

STT-MRAM 器件制备过程中具有诸多技术难点。鲁汶仪器一员工表示，STT-MARM 可兼容现有的 CMOS 制造技术和工艺，但在其磁性材料蚀刻时，钴铁硼薄膜等磁性材料刻蚀时不易挥发，可能沉积在晶圆上，产生黏物，导致 STT-MRAM 短路。蚀刻后 STT-MRAM 两层绝缘的氧化镁可能会与空气中的水氧、二氧化碳反应，从而使 STT-MRAM 改性。

STT-MRAM 芯片设计同样是一道坎。STT-MRAM 芯片设计时需要在存储单元的热稳定性和翻转电流阈值两者之间进行权衡，让 STT－MRAM 存储单元的电流密度降低，并保持数据存储的热稳定性。

STT-MRAM芯片还需要平衡电流、MTJ 以及误码率等三者的关系如下：

从结构上看，STT-MRAM 存储单元的核心是一个 MTJ，这个 MTJ 是由两层不同厚度的铁磁层及一层非磁性隔离层（几纳米厚）组成，通过自旋电流将信息写入。随着存储单元尺寸的减小，信息写入就需要更大的电流。更大的电流将增加功耗，反过来抑制信息写入的速度。

此外，就目前来说，STT-MRAM 良率不高，产能不大，这就导致单个 STT-MRAM 器件的价格非常昂贵，难以进入消费级应用市场。

能否成主流？（MRAM 未来可期）

虽然 MRAM 存在诸多挑战，但是 MRAM 与其他类型存储器相比具有明显优势。下表列出几种不同类型的存储器优缺点比较：

存储类型

优点

缺点

中国科学院院士，南京大学物理系教授、博士生导师都有认为，自旋芯片兼具 SRAM 的高速度、DRAM 的高密度以及 Flash 的非易失性等优点。此外，其抗辐射性被军方所青睐，原则上可取代现今的各类存储器，成为未来的通用存储器。

鲁汶仪器一员工介绍说，目前，MRAM 主要在军工、大数据高性能存储等领域有一些应用，但是随着工艺成熟，成本降低，MRAM 有机会取代 DRAM。

实际上，在 DRAM、Flash 发展过程中，一直有人认为有其他存储芯片技术可以取代 DRAM、Flash，但都没有成功。赵巍胜认为，DRAM、 Flash 会随着新技术的引入不断发展。例如，DRAM 技术因为 EUV 光刻机的使用得以进步。目前，MRAM 拥有 ToT、车载、航空航天等特定应用场景，不过未来很有可能对新的消费级市场发起冲锋。