神秘拆解：新一代MRAM能否取代闪存

长久以来，我们这些缺乏耐性的人，一直期待着所有消费电子产品的开机时间能尽量缩短，愈快愈好。刚刚才打入消费市场的固态硬盘（SSD），已经能大幅缩减用户等待开机或将机器从睡眠中唤醒的时间，事实上，SSD已经能实现极短时间的开机，或是瞬间唤醒机器。

　　目前，SSD仍然以非挥发性存储器（NVM）为主，主要采用闪存。尽管与传统硬盘相比，闪存的速度提高了好几个数量级，但今天在使用SSD开机时还需要等待一会儿。这也暴露出一个事实──在与ROM或DRAM相比时，闪存的读取速度显然逊色许多。

　　2000年中，非挥发性存储器领域出现了一匹黑马──磁阻式随机存取存储器（MRAM），它强调高可靠性、趋近无限的使用寿命、低功耗、更广的工作温度范围，而且更重要的是，它的读取时间快到能媲美DRAM。这些特性让MRAM成为众所瞩目的焦点，吸引数家公司投入开发，希望制造出在密度和速度方面都能与其他主流非挥发性存储器竞争的崭新元件。Everspin正是其中一家企业，该公司已经推出商用化的MRAM产品。

　　磁穿隧结（Magnetic Tunnel Junction， MTJ）是在MRAM储存数据的关键因素。传统MTJ是由两个被薄型隧穿介电质隔开的磁性层所组成。数据会在磁性层上依照磁化向量的方向储存。位于一个磁化层上的磁性向量是磁性固定（magnetically fixed）或被固定（pinned）的，此时其他层则是磁性自由，可在相同和相反方向之间进行切换，分别称之为“平行”或“反平行”状态。当在固定和自由层之间施加小的偏置电压时，隧穿电流便会流经位于中间的薄介电层。而其磁性存储器单元会透过响应平行和反平行状态，呈现出两种不同的阻值。因此，藉由检测电阻变化，MRAM元件便能提供储存在磁性存储器单元中的数据。

　　

　　图1：Everspin MRAM封装的X光图片

　　MTJ结构被整合到另一个典型CMOS积体电路的互连部份。在写入过程中，选定的MTJ会置于所选择的写入字线和选定的位元线之间。当电流经过所选的字线和位元写入线，便会在这些线的周围建立磁场。而在选定MTJ的上磁场向量总和必须足够切换状态。不过，沿着选定的字线或位元写入线产生的磁场也必须足够小，以确保不会切换到俗称的“半选”（half selected ） MTJ状态。所谓半选状态仅作用在所选择的字线与位元写入线周围。

2006年， UBM TechInsights曾拆解过飞思卡尔的MRAM元件，该元件具有一个尺寸约26mm2的晶粒，密度为4Mb。与其他的NVM技术相比，其晶粒效率似乎较低，这主要是由于其架构设计，需要相当庞大的开销所致。而今，由飞思卡尔成立的Everspin Technologies推出了16Mb的MRAM元件，其晶粒尺寸仅为58mm2──尺寸仅提高二倍，但效能却提升四倍。通常，增加密度的主要方法之一，是光刻工艺。

　　然而，在推出16Mb的封装元件后，我们可以看到，该公司并不是因为采用先进工艺技术而提升密度；其16Mb和4Mb的元件都共用主流的光刻工艺，而且单元尺寸相同。看起来，过小的工艺可能会导致半选问题。Everspin公司采取的方法是重新设计架构，拿掉了一个背部的互连层，用改良过的电路来最小化读、写和擦除数据所需的开销。

　　

　　图2：Everspin的MRAM晶粒图

　　Everspin声称该公司2011年的MRAM出货量成长了300%，获得250个新的设计订单（design win），其中包括戴尔、LSI和BMW等。而用于下一代MRAM的技术──自旋力矩（Spin-torque），则可望加快读/写速度并提高密度。这是否有可能在未来让MRAM真的能取代闪存，成为SSD的关键存储器，再缩短开机时间？我们很快就会知道答案。SSD市场正在快速成长，因此，这个产业势必需要更高速的存储器。