不怕掉电的MRAM 何志良 2001年 7期 MRAR（Magnetic Random Access Memory，磁性随机存储器）并非新生事物。早在1994年，美国一家叫Honeywell的公司就研究出了一种采用巨磁阻（Giant MagnetoResistive，GMR）薄膜技术的MRAM，并且投入了生产。但是当时的产品存在读写时间过长、集成度比较低的缺点，所以在应用方面受到了限制，只局限于太空和军事领域。最近，随着技术的发展，MRAM再次引起了众多半导体厂商的强烈关注，一些著名的内存制造商纷纷出台了各自的研发计划。如果一切进展顺利的话，未来MRAM很可能会取代目前DRAM和Flash（闪存）的地位，成为市场主流。 　　#1 一、什么是MRAM 　　MRAM是一种“非挥发性”的磁性随机储存器，所谓“非挥发性”，是指当你把电源关闭后，内存仍然可以保持记忆状态，内部数据信息保持不变，其功能和Flash类似。换句话说，当你启动电脑后，你完全可以把硬盘上的数据复制到内存中，不必担心是否会停电。而且，MRAM独特的“随机存取”功能使得CPU在读取内存数据的时候，并不一定每次都要从头开始，它可以随时以相同的速度，在内存的任何部位读写数据。这样一来，MRAM的读写速度将会比现有DRAM内存快好几倍。MRAM的工作原理基本上与硬盘驱动器相同，因为MRAM存储元件的结构和目前普遍应用在硬盘中的GMR读取头的自旋阀薄膜类似，此元件由一非磁性层夹在两个强磁薄膜中构成，当两个强磁薄膜的磁化方向一致时，数据为0，否则为1，即利用薄膜阻抗随着磁化方向是否一致而变化的特性，系统可以判别数据位为0或1。因此，从某种意义上来说，MRAM存储的数据具有永久性。只有在外界的磁场对它造成影响之后，才会改变这个磁性数据。由于运用磁性技术存储数据，所以MRAM在成本上有了很大的降低，价格自然就比现在Flash 、DRAM更便宜，也更有市场潜力。MRAM的读写速度与我们目前电脑所使用的内存相比更接近GMR，使用GMR技术的内存产品的读写周期一般在25ns至100ns。MRAM不但兼有静态随机存储器（Static Random Access Memory，SRAM）的高速读写能力和动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）的高集成度的特点，而且基本上可以实现无数次重复写入。 　　#1 二、与其它存储器相比较 　　根据美国专业半导体研究机构EDN将MRAM与DRAM、SRAM、Flash等内存进行比较后得出的结论，MRAM的优势主要体现在以下几个方面：1.在“非挥发性”特色上，目前仅有MRAM及Flash具有此功能，不过，Flash却不具备随机存取功能。2.就读取速度而言，眼下MRAM和SRAM的速度是最快的，同为25ns至100ns。但从总体上说，MRAM仍比SRAM快，而DRAM的读写速度是50ns至100ns，属于中级速度。相较之下，Flash的速度最慢。3.在写入次数上，MRAM、DRAM以及SRAM属于同一等级，约可进行无限次的写入操作，而Flash则大约可写入一百来次。4.至于芯片面积的比较，MRAM与Flash同属小规格的芯片，所占空间最小；DRAM的芯片面积则是属于中等规格，SRAM更是属于大面积规格的芯片，它所占的空间最大。5.在耗电量方面，只有MRAM以及SRAM拥有低耗电的优点，Flash属于“中级耗电户”，至于DRAM则具有高耗电量的缺点。6.在嵌入式设计规格方面，DRAM、SRAM、Flash均存在良率低、必须增大芯片面积的缺陷，而MRAM却具有性能高、不须增大芯片面积的先天优势。 　　#1 三、MRAM的发展前景 　　如果MRAM能够得到广泛应用，其前景将极为广阔。使用MRAM的台式机和笔记本电脑，在开机时无须再等待，开启电源瞬间即可使用。MRAM储存量大、速度快、更省电，在PDA、手机、游戏机等市场上也会有广阔的前景。与此同时，MRAM如果用在网络服务器上，可以加快用户浏览网页以及下载的速度；大家还可以利用手机来收看影音资料和实现更准确的语音识别功能；内置MRAM的数字影音产品（如MP3播放机）也可以储存更多的歌曲及电影。目前，包含摩托罗拉、IBM、Infineon、三星电子、Honeywell等在内的全球DRAM大厂竞相加快了进军MRAM业务的速度。其中，IBM、摩托罗拉及其它美国制造商在MRAM上居于领先地位，而日本及欧洲的制造商也正在积极采取行动以缩小差距，比如日本就专门制订了一个国家级的MRAM研究计划，共有12个制造商、大学和研究机构参与此项计划。IBM自开发出被称为“Magnetic Tunnel Junction”的小型零件（如图）后，就利用此项技术开发出了相应的MRAM样品。预计，IBM将在2003年批量生产出第一代测试产品，而到2004年，MARM将大批量进入市场。同时，德国的Infineon Technologies也宣布将与IBM合作，共同开发这一非挥发性内存，并将在2004年实现容量为256MB和512MB的MRAM的量产化。此外，Honeywell也着手研究能承受放射线的MRAM；三星电子也计划在2004年量产MRAM。（^07030201a^）　 　　摩托罗拉早在去年5月就发布了3伏、15ns存取速度的MRAM。最近，该公司的研究人员在2001年国际固态半导体年会（ISSCC）上展示了一块采用0.6微米CMOS制造工艺、容量为256kbit（即32KB）的MRAM样品，同时他们表示将在2003年拿出第一块4Mbit的MRAM内存样品，2004年实现MRAM成品上市。目前，摩托罗拉公司的MRAM研发技术处于业界领先地位。 　　#1 四、MRAM的不足之处 　　目前，MRAM存在的一个最大缺点是读取写入时间过长，导致其性能无法提高，而这主要是在MRAM的存储元件中使用了GMR薄膜的缘故。由于在GMR薄膜下0和1之间的阻抗变化非常小，所以在指示磁性方向为0或1时，电压变化也微不足道，而差异不大也意味着在检测电压时更容易受到外界影响，因此在装有GMR薄膜的MRAM上，会执行两次读取程序。不论每次读取的速度有多快，都需要花时间重复读取，从而使得读取时间较长。此外，还有一个影响MRAM性能的因素，那就是集成度难以提高。MRAM的集成度与GMR薄膜相匹配所采用的MOSFET大小有关系。由于GMR薄膜与MOSFET串联，这就要求两者的阻抗必须匹配，而GMR薄膜的阻抗本来就很低，高阻抗的MOSFET使GMR薄膜的感应很困难。要和MOSFET相匹配，GMR薄膜必须要有较大的面积。 　　不过，随着隧道式磁阻（Tunnelling MagnetoResistive，TMR）技术的面世，上述问题都将迎刃而解。TMR是一种更新的技术，当MRAM采用TMR薄膜，即以TMR代替GMR组成存储元件后，不但可以减小MOSFET的面积，而且由于GMR薄膜的MR比为10%，而TMR薄膜的MR比则在20%以上，因此可以在一次读取中完成检测，无需再重复读取。目前IBM发表了使用TMR薄膜生产的最大的MRAM原型，读取写入速度为10ns，容量增加了10倍。该芯片还整合了地址解码器等周边电路，使它更接近实际的产品。对于TMR薄膜的研究还在不断深入，我们相信随着研究成果的不断扩大，MRAM距离实际应用的日子也就越来越近了。