MRAM将带来下一波的储存浪潮

储存技术发展更迭50年，逐渐形成了SRAM、DRAM及Flash这三大主要领域。但随着半导体制造技术持续朝向更小的技术节点迈进，传统的DRAM和NAND Flash开始面临越来越严峻的微缩挑战；再加上由于这些储存技术与逻辑运算单元之间发展速度的失配，严重限制了计算性能和能效的进一步提升。
读写次数无限：铁磁体的磁性不仅断电不会消失，而是几乎可以认为永不消失，故MRAM和DRAM一样可以无限次重写。
写入速度快、功耗低： MRAM的写入时间可低至2.3ns，且功耗极低，可实现瞬间开关机并能延长便携机的电池使用时间。
与SRAM相比，MRAM速度稍慢，但MRAM在速度上仍然具有足够的竞争力，此外SRAM的设计更复杂，MRAM的密度更高，以及MRAM是非易失性的，而SRAM是易失性的，断电就会遗失数据，MRAM则不会面临这种困扰。
与DRAM相比，由于DRAM需要电容器充电/放电来完成读写，所以MRAM的读/写速度更快，在密度上MRAM和DRAM相似，但DRAM也是一种易失性记忆体。此外，MRAM的单元泄漏较低；与经常刷新资料的DRAM相比，MRAM的电压要求也比较低。
与Flash相比，MRAM 与Flash同样是非挥发性的，但是MRAM在耐高温、资料保存，尤其是操作耐久度上，优于Flash。要知道MRAM具备写入和读取速度相同的优点，并且具有承受无限多次读写循环的能力。
与ReRAM相比，ReRAM随机读写速度优于传统记忆体，但要慢于MRAM和FRAM；同时ReRAM的读写次数约在100万次左右，较传统记忆体有数量级的增加，但少于MRAM的读写写次数；其中密度和相应的成本是ReRAM的最大优势；从成本方面看，MRAM由于材料的复杂性、密度瓶颈、抗磁干扰等难点，其成本会较高。
与FeRAM相比，MRAM与其效能较为类似，但FeRAM的读写速度要优于MRAM，且可以维持较低的功耗，FRAM的劣势则在于，其成本比MRAM还要高，所以它可以应用于一些非常特殊的市场。
PCRAM也是未来十年内最具潜力的新型储存技术之一。 PCRAM 具有容量大、整合度高、速度快、功能低和成本低等优点，特别是与新型CMOS 制程相容。不过PCRAM也存在着一些明显不足之处，特别是写入操作速度无法与DRAM相媲美，写入耐久性也与DRAM相差较大等。写耐久性差是将其大规模应用于电脑系统所面临的主要障碍之一，目前海内外研究人员正在研究一些解决方案来应对。就目前来说，PCRAM的商业化程度还没有MRAM高。
当然，MRAM也并非没有缺点，它还面临许多的挑战，例如真实装置材料体系复杂、开关比低，CMOS制程要完全匹配等。此外，MRAM的发展仍然遇到动态功耗、能量延迟效率和可靠性方面的瓶颈。
当下的MRAM 家族成员包含三类：自旋转移扭力(spin-transfer torque ：STT)、自旋轨道扭力(spin-orbit torque：SOT)、电压控制（VCMA-和VG-SOT）。
在非挥发性记忆体的其他有前景的选择中，STT-MRAM长期以来一直是上层高速缓存记忆体（L3 及以上）和记忆体中非挥发性运算的竞争者，这种记忆体变体使用自旋极化电流透过隧道结将磁化强度转移到记忆体单元。因此，STT-MRAM 的能耗比透过感应电磁场进行记录的传统MRAM 记忆体的能耗低几倍。
SOT-MRAM是从更成熟的自旋转移矩STT-MRAM演变而来的，由于具有更好的耐久性和两个二进位状态之间更快的切换速度，因此具有更好的快取应用前景。
目前台积电、英特尔、三星、格芯、联电等各大晶片厂商对于MRAM的布局，研发以及生产都在如火如荼地展开。
中国台湾台积电SOT-MRAM技术问世，功耗仅STT-MRAM的1%
早在2002年，台积电就与中国台湾工研院签订了MRAM合作发展计划。 2018年，台积电进行了eMRAM晶片的“风险生产”，2019年生产采用22nm制程的eReRAM晶片。
在ISSCC 2020上，台积电又发表了基于ULL 22nm CMOS制程的32Mb嵌入式STT-MRAM。该技术基于台积电的22nm ULL（Ultra-Low-Leakage）CMOS工艺，具有10ns的极高读取速度，读取功率为0.8mA/MHz/bit。对于32Mb数据，它具有100K个循环的写入耐久性，对于1Mb数据，具有1M个循环的耐久性。它支援在260°C下进行90s的IR回流焊，在150°C下10年的资料保存能力。它以1T1R架构实现单元面积仅0.046平方微米，25°C下的32Mb阵列的漏电流仅为55mA。
台积电研发STT-MRAM解决方案主要是用来克服嵌入式快闪记忆体技术的扩展限制。之后台积电又成功开发出22奈米和16/12奈米制程的MRAM产品线，并获得了大量来自记忆体和车用市场的订单。除此之外，台积电也正在积极探索SOT-MRAM和VC-MRAM，并与外部研究实验室、财团和学术合作伙伴合作。
2022年6月，台湾工研院与台积电合作开发的低压电流SOT-MRAM，具有高写入效率和低写入电压的特点，其SOT-MRAM实现了0.4奈秒的写入速度和7万亿次读写的高耐久度，还可提供超过10年的资料储存寿命。
就在近日（1月18日），台积电携手工研院宣布成功研发出自旋轨道转矩磁性记忆体（SOT-MRAM）阵列晶片，标志着下一代MRAM记忆体技术领域的重大突破。这款创新产品不仅采用了先进的运算架构，而且其功耗仅为同类技术STT-MRAM的1%。
工研院与台积电的合作使得SOT-MRAM在工作速度方面达到10ns，进一步提高了存内运算效能，成功跳出了MRAM的传统限制。这次SOT-MRAM的推出将进一步巩固台积电在记忆体晶片领域的市场地位。
三星几乎与台积电同时出手，2002 年三星宣布开始MRAM的开发计划。 2005三星又率先开始了STT-MRAM的研发，该技术后来被证明可以满足高效能运算领域对最后一级快取的效能要求，被认为是突破利基市场的利器。
然而由于成本与制程的限制，让三星的MRAM研发逐渐走向低调，在这段期间，与FinFET技术齐名的FD-SOI，在以Leti、Soitec、意法半导体为代表的欧洲半导体科研机构和公司相继迎来技术突破，快速发展。
2014 年，三星与意法半导体签订28nm FD-SOI 技术（一种与FinFET 齐名的技术）多资源制造全方位合作协议，授权三星在晶片量产中利用意法半导体的FD-SOI 技术。当年，三星成功生产出8Mbe MRAM，并利用28nm FDS，在2019 年成功量产首款商用eMRAM。 2020 年，三星首批基于eMRAM 的商用产品上市，由其制造的Sony GPS SoCs(28nm FDSOI) 被用于华为的智慧手表，以及由台积电采用22nm 超低漏电制程(ULL) 制造的Ambiq 低功耗MCU。
2022年10月，三星研究人员在14nm FinFET逻辑制程平台上实现了磁性隧道结堆叠的磁阻式随机存取记忆体制造，据称是目前世界上尺寸最小、功耗最低的非挥发性记忆体；此样品资料写入仅消耗每位元25pJ，读取时有功功率需求为14mW，以每秒54Mbyte的资料速率写入的有功功率需求为27mW，与该公司上一代28nm节点的MRAM相比，读取时间加快了2.6倍。该研究的目标之一是证明嵌入式MRAM作为高速缓存记忆体适用于依赖大型资料集和分析的应用程序，例如边缘AI。
近日，三星电子在顶尖学术期刊Nature 上发表了全球首个基于MRAM的存内运算研究。
存内运算无需资料在记忆体和处理器间移动，大大降低了AI 运算的功耗，被视作边缘AI 运算的一项前沿研究。虽然MRAM 储存装置具备耐用性、可大规模量产等优势，但其小电阻的特性阻碍了这类记忆体被用于存内运算。本次，三星电子的研究团队透过建构新的MRAM 阵列结构，以基于28nm CMOS 制程的MRAM 阵列晶片运行了手写数位辨识和人脸侦测等AI 演算法，准确率分别为98% 和93%。
英特尔也是MRAM 技术的主要推动者，该公司采用的是基于FinFET 技术的22 nm 流程。 2018 年底，英特尔首次公开介绍了其MRAM 的研究成果，推出了一款基于22nm FinFET 制程的STT-MRAM，当时，该公司称，这是首款基于FinFET 的MRAM 产品，并表示已经具备该技术产品的量产能力。
2019年，Everspin与晶圆代工厂格芯合作，试生产28nm 1Gb STT-MRAM产品；2020年3月，双方宣布已将共同开发的STT-MRAM装置的制造，扩展至12 nm FinFET平台，透过缩小制程有助于双方进一步拉低1 Gb晶片成本。 Everspin在资料中心、云端储存、能源、工业、汽车和运输市场中部署了超过1.2亿个MRAM和STT-MRAM产品。
2022年6月，瑞萨宣布已开发出用于STT-MRAM测试的电路技术使用22nm制程制造的具有快速读写操作的晶片。
2018年联电与Avalanche Technology 宣布建立合作伙伴关系，共同开发和生产MRAM，以取代嵌入式快闪记忆体。 2022年，联电宣布与Avalanche Technology合作推出22奈米STT-MRAM，将应用于航太等领域。

MRAM在边缘方面展现出独特的优势。边缘运算在工业物联网、机器人、穿戴式装置、人工智慧、汽车以及便携式设计等领域的应用正在不断成长。伴随着这些成长的是大家对高速、低延迟、非挥发性、低功耗、低成本记忆体（用于程式储存和资料备份）的需求。
虽然有许多可用方案，包括SRAM、DRAM、快闪记忆体等,但这些技术都需要在一个或多个领域进行权衡，这对于边缘运算来说，它们似乎都不太适合。 MRAM 将资料储存在磁储存单元中，提供真正的随机访问，并允许在记忆体中随机读写。此外，MRAM 结构和操作具有低延迟、低泄漏、高写入周期数和高保持率等特点，而这些恰恰都是边缘运算非常需要的。
此外，MRAM是实现存算一体的理想记忆体之一。到目前为止，多种记忆体媒体被研究用于建构存算一体系统。 SRAM和DRAM是易失性元件，频繁的刷新并不利于降低功耗。而Flash虽然是非挥发性的，但是随着读写次数增加，浮栅氧化层会逐渐失效，反覆读写可靠度很低。因此，各种基于电阻改变的新型记忆体是实现存算一体的有效载体。
随着科技的快速发展，人们对电脑硬体的要求也越来越高。现在，许多人想要替换掉他们电脑中的记忆体和硬碟，因为它们不是最先进的技术。它们要么在断电时丢失数据，要么存储速度较慢。
从目前来看，MRAM似乎是那个给记忆体市场带来惊喜的宠儿。因为MRAM结合了SRAM的速度、DRAM的密度和快闪记忆体的非挥发性。
不过，也要理性看待这项技术。
Rambus Labs高级副总裁Gary Bronner 曾为此做过解释：“如今几种新兴记忆体技术已经发展到可以生产Mb 到Gb 密度的水平，其中包括相变记忆体，例如PCM 或3D Xpoint、MRAM 和ReRAM。然而，为了取代DRAM，这些记忆体需要具有与DRAM 相似的效能，但成本要更高。目前还没有一种新兴记忆体能够证明取代DRAM 所需的成本和效能。MRAM正在寻找嵌入式快闪记忆体的替代品，其中MRAM 是性能更高、成本更高的选择。”
整体来说，MRAM距离技术成熟还有一段距离，同时还未凸显成本优势，加上它新型储存技术也在发展之中，只能说MRAM是现在最有希望的那一个，至于全面取代DRAM或NAND ，MRAM还有很长的路要走。