取代现有高速存储，最有希望的技术还是“磁”？

当今世界85%的信息被保存在硬盘中，你有没有想过有那么一天，即便塞爆硬盘，也存不下来现在的数据？

很难想象，1971年到1996年人们还在使用只有1.44MB的磁性软盘。现在，虽然NAND Flash称王，人们能存得越来越多，读取得也越来越快，但也愈遇瓶颈。随着制程技术愈发逼近1nm，硬盘容量提升越来越难，人们不断把硬盘内的NAND Flash芯片“堆高高”，从另一个维度提升硬盘容量。

但技术瓶颈依然存在，此时就需要新的技术，备受瞩目的技术，便是MRAM（磁阻存储器）。对，没错，人们兜兜转转又将希望放到了“磁”上。

本文是“一级市场”专题第一篇文章，关注MRAM国际巨头发展与国内创业情况。

新时代的王

其实，除了我们熟知的内存（DRAM）和SSD（NAND Flash），科学家和业界一直都想换掉你电脑里的内存和硬盘，因为它们并非完美的技术，要么断电丢失数据，要么存得比较慢。

为此，新型存储便横空出世。新型存储器主要包括4种：阻变存储器（ReRAM/RRAM），相变存储器（PCM），铁电存储器（FeRAM/FRAM），磁性存储器（MRAM）。

主要新型存储参数对比，制表丨电子工程世界

MRAM就是新型存储中非常重要，且离产业很近的一种，简单说，就是更强更快。不过，存储界并不存在什么六边形战士，所以都是看应用需要什么，选择什么技术。

四类新型非易失性存储器与NAND Flash指标综合对比图，图源丨科技中国

MRAM是一种非易失性存储技术，它被称为“全能手”，顾名思义，是因为MRAM什么都会做一些。

SRAM虽快，但容量极低；DRAM结构简单，但也被易失性所困；非易失性、大容量的Flash则耐久有限，同时随着制程逐步逼近极限而无限触碰极限。

而MRAM有着介于SRAM和DRAM两种易失性存储技术之间的速度和面积，同时拥有读写次数无限、写入速度快、功耗低、抗辐射和逻辑芯片整合度高的特点。此外，目前MRAM实验室耐温可达-40℃~150℃，覆盖了车规芯片的-40℃~120℃。

当然，MRAM也并非没有缺点，它还面临很多的挑战，比如真实器件材料体系复杂、开关比低，CMOS工艺要完全匹配等。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。

与传统的RAM不同，MRAM不以电荷或电流存储数据，而是由磁性隧道结MTJ（Magnetic tunnel junction）磁性存储数据。

现在，MTJ存在各种各样的结构，这也是MRAM复杂性所在。

不同MTJ类型，图源丨中国科学院上海微系统与信息技术研究所

目前，MRAM分为三代：第一代为MRAM，叫做磁场驱动型MRAM；第二代为STT-RAM（自旋转移扭矩），通过通入垂直于隧道结的电流使得磁矩发生翻转；第三代MRAM技术分为两种，分别为通过在重金属层中通入面内电流使得磁矩发生翻转的叫自旋轨道矩MRAM（SOT-MRAM）和通过施加电压改变磁各向异性使得磁矩发生翻转的叫做压控磁各向异性MRAM（VCMA-MRAM或MeRAM）。

MRAM发展已有很长的历史，在IoT嵌入式存储领域拥有诸多应用，近年来基于自旋矩转移的STT-MRAM成为了主流，同时第三代的SOT-MRAM正在逐渐产业化。

MRAM的应用场景主要是取代现有的一些存储技术。比如说，可以用于替代DRAM或者SRAM，使其在断电情况下也能保存数据，MRAM在读写速度与耐久度方面有明显的优势。

工业领域，应用需要具有非常快地写入能力，且需要非易失性存储，但NAND、NOR和EEPROM写入慢、耗电多，SRAM还要额外搭配电池，此时MRAM的优势就体现出来了。

在自动驾驶、AI兴起的现如今，对存算都要求计算更快，算力更强，这就需要让存储器嵌入到处理芯片（如MCU），从而以极短数据传输距离（纳米~微米量级）实现近内存计算。

MRAM在工艺上与CMOS高度兼容，可拿出一个金属层做MRAM而把其他金属层做处理器及逻辑电路，易于实现纳米~微米量级的极短数据传送距离，从而使AI计算的算力按数量级提升。所以自动驾驶仪和车载电子都是MRAM极好的应用场景。

国内能把握新机会吗？

MRAM无疑是具备“钱景”的。许多专家都预言，MRAM将带来下一波存储浪潮。

Menafn报道显示，MRAM市场将从此刻开始爆发，到2031年预计价值将达191.893亿美元，2021年~2031年复合年增长率将达36.6%。车用市场、物联网市场都是MRAM成长动能最高的领域。

Yole Developpement预测，2020年~2026年间，整体新兴非挥发性内存（NVM）市场的年复合成长率约为44%，随着新兴嵌入式NVM技术显著成熟，预估2026年eMRAM市场规模为17亿美元，约占整体新兴eNVM市场的76%。

国际上，一直高度关注MRAM，一些标志性事件包括：

• 1980年代，分子束外延设备进入法国；

  
  

• 1988年，费尔团队发现巨磁阻效应；

  
  

• 1990年，IBM开始利用该效应研制大容量硬盘；

  
  

• 1997年，巨磁阻硬盘商用，至今数据存储容量提高了超过10万倍；

  
  

• 2008年，飞思卡尔成立EverSpin公司推动MRAM业务；

  
  

• 2012年，Everspin宣布世界上第一个STT-MRAM芯片，并于2013年开始向客户提供；

  
  

• 美国Everspin公司于2018年发布了1GB容量的商用STT-MRAM芯片；

  
  

• 韩国三星公司已在28nm FD-SOI工艺的生产线大规模生产嵌入式MRAM（eMRAM）；

  
  

• 英特尔推出过一种新型MRAM，可以将存储空间提高20倍，比传统DRAM快20倍；

  
  

• 2014年，Everspin宣布将提高产量，该公司披露了几个新的客户和生态系统关系；

  
  

• 2019年，西部数据采用自旋震荡写入技术（MRAM），使容量再提高10~20倍；

  
  

• 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纳秒的写入速度和7万亿次读写的高耐久度，还可提供超过10年的数据存储寿命；

  
  

• 2022年10月，三星研究在14nm FinFET逻辑工艺平台上实现了磁性隧道结堆叠的磁阻式随机存取存储器（MRAM）制造，据称是目前世界上尺寸最小、功耗最低的非易失性存储器；

  
  

• 2023年5月，恩智浦半导体宣布，与台积电合作，推出业界首款采用16nm鳍式场效电晶体（FinFET）技术的车用嵌入式磁阻式随机存取记忆体（MRAM）。

  
  

磁存储器中国探索较早，早在50年代末到60年代初，国内就掀起了存储技术产业化的研发，虽然彼时没有MRAM这样的概念，但当时仿制苏联计算机的磁芯存储技术可以称作是最早的MRAM。

根据EEworld不完全统计，磁宇信息、驰拓科技、兴芯存储、凌存科技、致真存储、亘存科技几家表现值得关注，其中尤其后三家公司在最近拥有诸多动作。

• 2023年8月，致真存储自主研发的128Kb SOT-MRAM芯片成功下线，是继1Kb SOT-MRAM流片成功后又一个重要的新一代磁存储技术工艺研制里程碑，围绕自旋轨道矩材料、磁性隧道结图案化、专用电路设计等实现多处技术突破；

  
  

• 亘存科技针对边缘侧、端侧的智能化需求，围绕“存储-计算-控制”布局“独立式MRAM存储芯片”和包含嵌入式MRAM的“AI SoC芯片”两条核心产品线，为消费、工业、物联网、汽车等领域的客户提供具备竞争力的高能效、智能化单芯片系列解决方案。其中，AI SoC的“超低功耗”版本运行功耗低至5uA/MHz，达到国际一流水平，可为广大电池供电的应用场景提供高性价比方案；

  
  

• 凌存科技已成功开发出世界首款高速、高密度、低功耗的存储器MeRAM原型机和基于MeRAM的真随机数发生器，其开发的高性能存储芯片广泛应用于车载电子、高性能运算、安全等领域，其还将存储介质、集成电路、系统及相关专利授权给有高效性运算以及安全芯片需求的公司自行开发相关产品；

  
  

• 磁宇信息是拥有pSTT-MRAM专用12寸薄膜制造/测试设备和pSTT-MRAM专用12寸刻蚀设备的公司，国外MRAM主要应用在固态硬盘内，实现固态硬盘性能大幅度提升，这也是磁宇信息产品的起点；

  
  

• 驰拓科技也已经有客户进行了量产，为嵌入式非易失性存储，用于MCU/SOC和慢速SRAM；

  
  

• 珠海兴芯存储（珠海南北极科技全资子公司）NV-RAM规格的MRAM技术，是国内第一家达到此规格的厂商，未来量产后可取代目前市场上由外商供应昂贵的FRAM、电源供应SRAM（BatteryBackup SRAM）、NVSRAM；

  
  

• 中国科学院物理研究所团队则研制了一种磁矩闭合型纳米环状磁性隧道结，作为存储单元的新型MRAM原型器件。

MRAM一级市场情况不完全统计，制表丨电子工程世界

总结来看，传统存储器市场受挫，国产选择了另辟蹊径，这是一个还没有那么“卷”的赛道。除此之外，MRAM的用途广，不论从嵌入式还是自动驾驶、AI，它都能驾驭。不止如此，MRAM还能用在存算一体之中，引发更大的芯片革命。或许，国产可以从这里切开存储市场垄断的口子。

不过，也要理性看待这项技术，技术成熟度还有距离，同时还未凸显成本优势，加之其它新型存储技术也在发展之中，只能说MRAM是现在最有希望的那一个。

参考文献

[1] https://www.mram-info.com/everspin-raised-29-million-global-foundries-western-digital-and-others

[2] Cai H， Kang W， Wang Y， et al. High performance MRAM with spin-transfer-torque and voltage-controlled magnetic anisotropy effects[J]. Applied Sciences， 2017， 7(9): 929.

[3] Na T， Kang S H， Jung S O. STT-MRAM sensing: a review[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs， 2020， 68(1): 12-18.

[4] SIMIT战略研究室：MRAM全球专利分析.2018.10.19.https://mp.weixin.qq.com/s/VdjQ5N2Q526Uc7PHtNbzeg 

[5] 傅耀威，丁莹，薛堪豪，安萌，刘庭煜.非易失半导体存储器技术发展状况浅析[J].科技中国，2021，(04):38-40.

[6] 观初科技：新型存储器中的全能手——MRAM.2023.6.25.https://mp.weixin.qq.com/s/5hDSBAELmdWylvGbzgVjOQ

[7] 三星半导体官方：三星半导体｜新技术: 基于MRAM的内存内计算.2022.1.13.https://mp.weixin.qq.com/s/28fe7Vu0Z2Trut2IeeBhdA

[8] 致真存储：喜讯|致真存储自研128Kb SOT-MRAM流片成功！.2023.8.15.https://mp.weixin.qq.com/s/e3s6_d1RspO685pCZxcfcA

[9] 浑璞投资：已投动态丨亘存科技完成新一轮融资，持续打造“存储-计算-控制”的一体化生态.2023.9.20.https://mp.weixin.qq.com/s/_ZOy4i2aC5C35eDNim5qxw

[10] 创投日报：公司评测|凌存科技完成数千万元Pre-A轮融资 聚焦第三代高速存储芯片.2023.5.6.https://mp.weixin.qq.com/s/uIasjcrhQRrWol7YOQCyBg

[11] 一村资本：36氪 | 颠覆储存器行业？磁宇信息获华西股份千万级人民币B轮融资.2018.4.2.https://mp.weixin.qq.com/s/Bu99xns-JHhwUYtKhu0Zuw

[12] 前海星河资本：被投企业 | 珠海南北极科技领先全球：MRAM达到非易失性内存 (NV-RAM) 规格.2021.6.23.https://mp.weixin.qq.com/s/EbJZMVFRTrahfOmMCbmxLg

本文来自微信公众号：电子工程世界（ID：EEworldbbs），作者：付斌