[科普中国]-磁随机访问存储器

磁性随机访问存储器是一种非易失性存储器技术，正在作为一种主流的数据存储技术被业界所广泛接受。它集成了一个磁阻器件和一个硅基选择矩阵。关键属性有非易失性、低电压工作、无限次读写的耐用性、快速读写操作，并且作为后端技术而容易集成。这些特性使得磁性随机访问存储器有可能替代各种应用中的许多类型存储器。

研究背景存储器是计算机体系结构中的重要组成部分，对计算机的速度、集成度和功耗等都有决定性的影响。然而，目前的存储器难以同时兼顾各项性能指标，例如，硬盘的存储容量较高，但访问速度极慢(通常为微秒级)。缓存则相反，具有高速和低集成度的特点。为充分发挥各类存储器的优势，典型的计算机存储系统采用图1所示的分级结构，一方面，频繁使用的指令与数据存于缓存和主存中，能够以较快的速度与中央处理器交互；另一方面，大量非频繁使用的系统程序与文档资料被存于高密度的硬盘(HDD或SSD)中。这样的分级结构使存储系统兼具高速和大容量的优点，但是，随着半导体工艺特征尺寸的不断缩小，传统的基于互补金属氧化物半导体工艺的缓存和主存遭遇了性能瓶颈。在功耗方面，由于CMOS晶体管的漏电流随着工艺尺寸的减小而增大，因此，SRAM和DRAM的静态功耗日益加剧；在速度方面，处理器与存储器的互连延迟限制了系统的主频。解决该问题的一个有效途径是构建非易失性的缓存和主存，使系统可工作于休眠模式而不丢失数据，从而消除漏电流和静态功耗，而且非易失性存储器可通过后道工艺直接集成于CMOS电路上，减小了互连延迟。在目前诸多的非易失性存储器中，以Flash的技术最为成熟，但Flash因写入速度慢(毫秒)、可擦写次数有限等缺点而无法达到缓存和主存的性能要求。其他的候选有可变电阻式存储器、相变存储器和自旋转移矩磁性随机存储器等。1

基本存储单元

磁隧道结的核心部分是由两个铁磁金属层夹着一个隧穿势垒层而形成的三明治结构，如图2所示。其中一个铁磁层被称为参考层或固定层，它的磁化沿易磁化轴方向(Easy-Axis)固定不变。另一个铁磁层被称为自由层(FreeLayer)，它的磁化有两个稳定的取向，分别与参考层平行或反平行，这将使磁隧道结处于低阻态或高阻态，该现象被称为隧穿磁阻效应。两个阻态可分别代表二进制数据“0”和“1”，是MRAM存储的基本原理。

隧穿磁阻效应可以用自旋相关隧穿理论予以解释，如图所示，对于铁磁金属，自旋向上(Spin-Up)和自旋向下(Spin-Down)的电子态在费米能级附近分布不均衡，其程度可用自旋极化率表示。当参考层与自由层磁化方向一致时，两层铁磁材料中处于多数态的电子自旋方向相同，隧穿概率较高，隧穿电流较大，磁隧道结呈现低阻态；反之，磁隧道结呈现高阻态。因此，隧穿磁阻效应的大小与自旋极化率密切相关。1

写入方式

写入操作通过磁隧道结中自由层的磁化翻转来实现。早期的MRAM直接采用磁场写入方式，其电路结构如图所示，磁隧道结置于字线（Digit Line）和位线（Bit Line）的交叉处，字线和位线分别沿着自由层的难磁化轴（Hard-Axis）和易磁化轴（Easy-Axis）方向。写入时，被选中的磁隧道结的字线和位线分别通入电流以产生互相垂直的两个磁场，它们的大小均不足以使自由层完成磁化翻转，但二者能够将彼此方向上的矫顽场（Coercive Field）大小降低至所产生的磁场以下，因此，只有交叉处的磁隧道结能够完成状态的写入。这种写入方式要求位线（或字线）产生的磁场足够大以至于能够有效地减小字线方向上（或位线方向上）的矫顽场，但同时也要足够小以避免同一条位线（或字线）上的其余磁隧道结被误写入（半选干扰问题，Half-Selectivity Disturbance），由于工艺偏差的存在，所允许写入的磁场范围非常有限。

为解决此问题，Freescale的工程师提出一种被称为Toggle的改进型磁场写入方式，基于这种写入方式的磁隧道结采用合成反铁磁结构（Synthetic Antiferromagnet，SAF）的自由层，如图所示，若将自由层的难（易）磁化轴与写入磁场呈45°放置，如图所示，则单独的一个写入磁场无法使自由层完成磁化翻转，从而避免了“半选干扰”问题，也扩展了写入磁场的可操作范围。基于这种Toggle写入方式，Freescale成功推出第一款4Mb的MRAM商用产品。除了Toggle写入方式之外，学术界还曾提出利用热辅助以改善MRAM的写入性能。图展示了法国Spintec实验室提出的TAS-MRAM器件结构，在铁磁层上加入反铁磁层，形成交换偏置作用。写入时，首先在磁隧道结通入电流，将器件加热至反铁磁层的转变温度之上，同时施加写入磁场，然后将器件冷却，在交换偏置的作用下，自由层的磁化被翻转并稳定在与外加磁场相同的方向。这种写入方式只需要一个外加磁场，能够解决半选干扰问题，功耗和可靠性都有所改善。1

固有缺陷磁场写入方式存在着3个固有缺陷:

（1）需要毫安级的写入电流，功耗较高;

（2）随着工艺尺寸的减小，写入电流将急剧增大，难以在纳米级磁隧道结中推广应用;

（3）需要较长的载流金属线产生磁场，电路设计复杂度较高。这些缺点限制了MRAM的应用前景，因此，以纯电学方式完成磁化翻转，成为当时MRAM研究人员追求的重要目标。1

STT-MRAMSTT-MRAM在速度、面积、写入次数和功耗方面能够达到较好的折中，因此被业界认为是构建下一代非易失性缓存和主存的理想器件。STT-MRAM的应用前景并不局限于传统的计算机存储体系，还能够扩展到其他诸多领域，甚至有望成为通用存储器。例如，宝马公司在发动机控制模块采用MRAM以保证数据在断电情况下不丢失。鉴于磁性存储具有抗辐射的优势，空客公司在A350的飞行控制系统中采用MRAM以防止射线造成数据破坏。此外，在物联网和大数据等新兴应用领域，泛在的传感器终端需要搜集海量数据，为节省存储功耗，使用非易失性存储器势在必行，STT-MRAM以其相对优良的性能成为热门的候选器件。1

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学