如果大家閱讀過本刊今年2月上的《3DXPoint的強勁對手—超級NRAM存儲器技術全解析》一文，對NRAM和現代DRAM存儲器的相關内容應該有一定的了解。正如當期文章所說，存儲器的根本原理是需要找到一種可檢測的、有顯著差異且容易改變的物理狀态。對于NRAM來說，人們使用低、高電阻值來實現“1”和“0”狀态的表示、存儲和轉換。對于其他類型的存儲器來說，尋找到類似的物理量來實現存儲功能就是需要解決的核心問題了。
無獨有偶，NRAM的産業化剛露出曙光，2017年初，MRAM的實際産品被一家名為Everspin的公司真正地開始以大容量和SSD的形式商業化了。所謂MRAM，全稱是MagneticRandomAccessMemory，磁随機存儲器。從曆史角度來看，利用磁的各種性質生産磁存儲器就成為了很多工程人員和廠商的夢想，其中包括IBM、東芝、三星、英特爾等廠商，在不同場合提及自己關注或者正在研發MRAM産品。不過，由于材料、工藝和結構設計等問題，MRAM多年來一直都沒有太大進展，産品要麼由于成本過高無法大規模産業化，要麼就存在技術和生産上的難題。
這次，Everspin公司率先帶來MRAM的産業化，着實給不少業内人士帶來了震動。那麼，新的MRAM是否能夠正面抗衡DRAM，并且和NRAM一戰呢？MRAM是怎樣實現數據存儲的功能呢？為了回答這個問題，讓我們抽絲剝繭，從原理開始，先來了解MRAM的技術核心吧！MRAM的技術核心：磁隧道效應
MRAM的技術核心是磁隧道效應，要理解磁隧道效應這麼晦澀的名詞，可以先來看看什麼是隧道效應。顧名思義，所謂隧道，一般是指在道路修建時，面對高山、大江等天然障礙，通過打隧道的方式穿透這些不可逾越的阻隔，實現兩端的導通，比如長江隧道、秦嶺隧道等。以此推理的話，隧道效應就應該是類似的情況。舉例來說，如果在兩片導體中間加入一片極薄的絕緣體，按理來說有絕緣體阻隔，導體之間是不可能導通的。但是由于量子力學解釋，存在粒子波函數，在某種情況下電子有一定概率可以通過絕緣體并出現在絕緣體另一側的導體中，實現絕緣體兩端導體之間的導通。這就相當于在不可逾越的絕緣體之間，出現了一個“隧道”，“隧道”實現了絕緣體兩端導體的導通，這就是所謂的隧道效應。三氧化二鋁性能穩定、絕緣，是MRAM首選的絕緣體材料。
隧道效應是MRAM技術的基礎
法國科學家M.Julliere首先在磁性隧道結中發現了磁隧道效應
利用隧道效應制造的存儲顆粒原型，此處使用了氧化錳作為絕緣層。隧道效應在很多文章中又被稱為勢壘貫穿，所謂勢壘是指勢能比附近的勢能都高的空間區域，一般都在極值點附近。比如絕緣體，就屬于高勢壘區域。上文所述的兩片導體中間夾着一層絕緣體的方案被稱為電子隧道結。需要特别指出的是，隧道效應中，隧道透過的能力往往和勢壘的寬度直接相關。以電子貫穿系數為例，在絕緣體厚度為2埃時，貫穿系數約為0.51，但是當絕緣體厚度提高到5埃時，貫穿系數呈指數級降低至0.024，繼續增大絕緣體厚度，貫穿系數迅速接近0。出現這樣的情況是因為隧道效應依舊是微觀級别的效應，如果超出了量子所能所用的範圍，那麼這個效應就會迅速衰減至幾乎不存在，這也證明了為何宏觀上來看絕緣體依舊是有效的。
說完了隧道效應，再來看看磁隧道效應。大家知道，磁化實際上是金屬中的電子被外加磁場極化的一個現象。當金屬中每一個電子受到外加磁場影響從而統一自轉方向時，宏觀上就表現出對外的磁性。當這種磁性在外加磁場取消後依舊存在，那麼就認為這種導體被磁化了。1975年，法國科學家M.Julliere在钴/鍺/鐵組成的磁性隧道結中發現了磁隧道效應，磁隧道效應表現出來的特征是：當磁性隧道結中上下兩層導體表現出極化方向平行時，那麼發生磁隧道效應的可能性大幅度提升，對外表現就是電阻低；當磁性隧道結中上下兩層導體表現出極化方向相反時，那麼發生磁隧道效應的可能性大幅度降低，對外表現就是電阻高。簡單來說，磁場的方向在這裡起到了對隧道效應發生與否的關鍵性作用，因此稱其為磁隧道效應。
到此為止，一個存儲器的技術原型就呈現出來了：使用磁性隧道結來存儲數據，當磁性隧道結表現高電阻時，數據為1；當磁性隧道結表現低電阻時，數據為0（反之亦然）。不僅如此，磁性物質被磁化後不容易受到外力影響而改變自己的極性，因此保持固有狀态的穩定性也很出色。在改變狀态方面，既然是磁體，就可以通過外加磁場改變其磁性方向。總的來說，通過磁隧道效應和磁性隧道結，MRAM的技術基礎和原理基本清晰，接下來就看工程實現了。
三層方案的磁隧道結設計
磁場法寫入和電流法寫入的對比圖。業内也有将磁場法寫入歸入第一代MRAM，電流法寫入歸入第二代。
這是一個磁場法寫入數據的MRAM顆粒剖面圖，采用了四層結構。實現MRAM三大關卡：材料、磁隧道結和存儲結構
在了解了磁隧道效應後，科學家們開始準備利用這種效應制作相關産品。目前，磁隧道效應的最佳應用應該是存儲單元，也就是今天的主角MRAM。不過，從理論到實際的産品，還有很多關卡需要走過，包括材料選擇、磁性隧道結結構和整個存儲器的結構。
MRAM制備難關之一：材料
MRAM制造過程的難關之一在于磁性材料和絕緣物質的選擇。磁性材料主要是鎳鐵钴材料、钴鐵硼材料等。需要注意的是避免磁性金屬表面層的污染和氧化。原因很簡單，磁性隧道結的特性是由磁性金屬的内在性質所表征，如果磁性金屬表面氧化或污染形成絕緣層等，會嚴重影響本來就極端敏感的隧道效應，最終使得産品失效。
絕緣物質方面，一般采用氧化物材料，勢壘均勻緻密、沒有針孔等缺陷、并且足夠薄（不超過2nm）—正如前文所說，隻有足夠薄才能使得足夠多的電子穿過，才能表現出電阻的差異。目前，在至關重要的絕緣材料方面，廠商往往使用三氧化二鋁制造，也有廠商使用钛酸锶、氧化铪、氧化錳等材料制造，不過後三者材料目前的磁電阻效應不夠明顯，很少有廠商深入使用研究。
MRAM制備難關之二：磁性隧道結
磁性隧道結實際上是整個MRAM的數據存儲核心。對磁性隧道結的設計，也有很多種方案。其中第一種方案是四層結構。從上到下分比為自由層、絕緣層、被固定層和固定層。其中自由層是通過改變磁場方向來實現數據存儲的，因此多使用軟磁材料，要求材料矯頑力低，容易改變磁場方向、高磁導率以及對磁場的高敏感性等。在材料選擇上，包括鎳鐵材料、钴鐵材料、鎳鐵钴材料以及使用最多的钴鐵硼材料等都可以考慮使用。絕緣層則之前提到過，一般使用三氧化二鋁等材料實現。被固定層和固定層實際上是通過磁性材料和反磁性材料的布置實現強交換耦合作用，因此兩者互相補充很難被改變方向。但是被固定層和自由層之間是退耦合狀态，這使得自由層比較容易在外部磁場作用下發生改變。
除了上述第一種方案外，在磁性隧道結的設計上也有采用三層方案的。相比四層方案而言，三層方案沒有使用被固定層和固定層兩層的方法，而是直接使用了一個較厚的固定層，通過固定層的厚度帶來比較強的磁性以确保磁矩不會被輕易反轉。同時，使用較薄的自由層來保證磁矩的快速翻轉，實現數據的快速寫入。
一般來說，這兩種設計方法并沒有嚴格意義上的優劣之分，廠商會根據實際設計和制造需要選擇合适的結構。
MRAM制備難關之三：數據寫入與讀取
在過了材料關和确定了磁隧道結的結構後，下面就會面臨MRAM的存儲結構設計了。一般來說，存儲結構設計的核心是确保磁性隧道結所表征的數據可以快速讀出，并且能夠根據需要快速進行改變，另外還有一些工程上的設計比如堆疊設計、數據密度提升等。而在數據讀寫方面，還會存在使用磁場寫入法和電流寫入法兩種完全不同的方法。
先來看看磁場法寫入數據。這種方法的核心在于，數據的寫入是通過字線和位線電流流過時同時産生的磁場實現對數據的改寫。需要注意的是，當字線或者位線二者中的一個有電流流過時，産生的磁場僅僅是自由層矯頑力的一半，因此不能改變自由層磁場的方向，且磁場相互正交。隻有當字線和位線同時通過電流并産生磁場時，字線和位線交點處的磁隧道結自由層才會獲得确定的磁場方向，從而和下方的固定層結合，實現數據的存儲。目前，磁場法的MRAM産品是業内大部分廠商的研發對象，這種方法的特點也比較明顯，一是産品功耗略高；二是由于存在從電到磁、磁到磁的作用過程，因此速度比較慢；三是結構比較複雜，制造難度比較高；四是存儲密度可能由于結構問題很難進一步提高。MRAM在市場中的地位在内存之下、NAND之上。
由于優秀的特性，MRAM的發展速度很快，市場容量迅速擴大。
三代MRAM的技術和容量對比除了磁場法改變數據外，還有一種方法是電流法。業内也有将磁場法寫入歸入第一代MRAM，電流法寫入歸入第二、三代MRAM。具體來說，當電流通過磁性層時，電流會被極化，形成自旋極化電流，自旋極化電流可以将自己的自旋動量傳遞給自由層，使得自由層獲得磁矩。因此，這種方法是通過自旋極化電流來改變磁場方向的，且一般都使用前文提到的第二種磁性隧道結。需要注意的是，電流法改變自由層磁矩方向一般有兩種變化：一是将自由層的磁矩方向改變成和固定層相同，此時電流從固定層流向自由層。在這種情況下，固定層較厚、較強的磁場帶來了極化電流，極化電流穿過隔離層後，還能保持極化方向，因此能夠将自旋角動量轉移給非常薄的自由層，實現自由層磁矩方向和固定層相同。二是将自由層的磁矩方向改變成和固定層相反，此時電流從自由層流向固定層。在這個過程中，電子和固定層發生交換耦合作用，使得自旋平行于固定層磁矩的電子通過，和固定層磁矩相反的電子被反射。因為固定層較厚且磁性較強，相反方向的電子不可能改變其磁矩方向，反倒通過極薄的隔離層又和自由層發生交換耦合作用，使得自有層磁矩和固定層呈現相反的狀态，實現了自由層磁矩的翻轉。從結構上來說，電流法的存儲單元結構相比磁場法要簡單一些，因為不再需要字線，是目前MRAM存儲中比較看重的一個研究方向。
從産品特性來看，電流法的MRAM特點如下：一是寫入速度快，因為直接使用電流對磁場産生影響；二是存儲密度高，由于沒有字線，因此存儲密度相比磁場法要高出不少；三是功耗較低；四是不會産生磁場的交叉影響，因此數據穩定性更高。
說完了數據寫入，再來一起看看數據讀取。相比之下，數據的讀取要容易很多。隻要字線和位線同時通過較小的電流後檢測磁隧道結帶來的電位差就可以了。因為隧道效應的存在，如果磁隧道結處于低阻狀态，電位差很小；如果隧道效應不存在，則證明磁隧道結處于高阻值狀态，電位差則很大。通過電位差的大小，就能判斷此時磁隧道結存儲的數據的狀态，同時将數據傳輸給系統。另外，這種讀取數據的方法完全是非破壞性的，也不會影響到數據的穩定性。
在渡過這三個難關後，廠商還需要在生産、制造、測試、封裝以及商業角度上來衡量MRAM的市場前景情況。尤其是對MRAM這樣的全新産品，還需要在性能、容量、價格上給予平衡，才能充分吸引市場，實現産品銷售和盈利，以及未來的發展。
MRAM：顯著的優勢
說了這麼多MRAM在結構上的内容，那麼MRAM的優勢究竟有哪些呢？下面我們分幾點一起來看看：
首先，MRAM是非易失性存儲器，也就是斷電後MRAM依舊可以保存數據。這一點和之前介紹的NRAM類似。其次，MRAM不存在讀取磨損的問題。由于MRAM的原理隻涉及磁場改變方向等，不像閃存顆粒那樣需要一定數量的電子才能工作，并且電子存在丢失可能，因此壽命理論上來說是無限的，磁場的穩定性要比電場好很多。
第三，MRAM的功耗很低。由于MRAM在寫入數據時隻需要反轉磁場即可，因此所需功耗能夠控制在比較低的範圍。第四，MRAM抗輻射效應出衆。由于MRAM使用的是金屬、又是磁存儲結構，因此在一般的輻射下能夠穩定工作，比DRAM、SRAM、NAND等強很多。第五，MRAM讀寫速度比較高。目前MRAM産品的讀寫速度已經超過了DRAM，距離SRAM還有一定差距。不過随着工藝的進步和結構設計的提高，MRAM有望讓速度再上一個台階。
在這五大優勢背後，MRAM也存在一些問題。比如目前制造和設計都比較困難，材料上還有進一步拓展的空間，目前價格也比較昂貴，尚未經過大規模量産等。耐久性方面，MRAM由于使用的是磁場來存儲數據，因此在外界磁場幹擾、高溫等環境下是否能穩定、長久的保存數據，還有待檢驗。另外，目前受制于工藝和結構的問題，MRAM的數據存儲密度都比較低，大多隻能做到單片256Mb，這和主流的單片NAND顆粒能做到64GB甚至128GB相比還差很遠，未來還需要進一步提升存儲密度，提高單片容量。采用FPGA封裝的MRAM顆粒
基于MRAM顆粒生産的非易失性内存
基于MRAM顆粒的nvNITROSSD，容量為1GB～2GB，支持NVMe技術，由256MbMRAM顆粒組成。Everspin的MRAMSSD：最大2GB容量
在MRAM相關知識介紹基本完成後，接下來就需要看看實際産品了。Everspin公司實際上在之前就推出過MRAM相關的顆粒和産品，但是都是小容量或者并非面向商業市場，隻是一些測試樣品而已。這一次，Everspin直接推出了基于MRAM技術、采用NVMe标準的SSD産品，面向對數據要求非常高的數據中心、高可靠性工業場所等。Everspin希望未來MRAM全面替代現有的存儲方案
Everspin的MRAM産品介紹Everspin推出的是名為nvNITRO的SSD産品，它采用的MRAM顆粒使用了DDR3規格的封裝和接口。不過雖然接口都是DDR3，但由于顆粒結構是MRAM，因此和我們一般看到的由JEDEC公布的DRAM顆粒标準是完全不同的。單片容量上隻有256Mb，如果使用32或者64顆MRAM顆粒的話，能夠在PCIe3.0x8帶寬下提供1GB~2GB的容量。值得一提的是，由于MRAM幾乎完美的磨損能力，因此不需要任何均衡磨損算法（NAND由于存在顆粒讀寫壽命限制，因此人們一般使用均衡磨損算法來統計每個存儲單元的讀寫次數和剩餘壽命，盡可能平衡地讓每個存儲單元能夠平均讀寫次數，最大限度地保證整塊芯片乃至整塊SSD平均磨損，盡可能延長使用壽命），這樣一來控制器設計就變得簡單很多，也不再需要配備專用的大容量高速緩存，這在一定程度上降低了成本。
在性能方面，Everspin目前沒有給出完整的性能預覽，也沒給出太多技術細節，隻有一些性能參數，不過即使這些參數，都展示出MRAM遠超NAND的潛力。根據Everspin的數據，nvNITRO的4KB數據傳輸延遲為6μs，相比之下英特爾SSDDCP3700高達20μs；QD32隊列為1.5MIOPS（4KB），相比之下HGSTUltrastarSN260隻能做到1.2MIOPS讀取/200KIOPS寫入）。其他參數方面，nvNITRO能夠在QD16上提供超過1MIOPS的速度、QD8上超過800KIOPS、QD1超過175KIOPS讀取/150KIOPS寫入，整體性能表現都非常令人驚訝。另外，nvNITRO支持細粒度訪問，因此很小的數據性能表現也很出色，512B傳輸達到了2.2MIOPS，整體運行情況非常出色。
目前的nvNITRO采用的是FPGA芯片來實現MRAM顆粒的讀寫，這将允許客戶直接将MRAM集成到設計中，就像使用DRAM一樣簡單。為了進一步簡化産品，Everspin還在考慮在M.2标準下推出相關MRAM産品。Everspin透露說，今年年底他們還會推出基于DDR4接口的MRAM顆粒，容量和存儲密度會有進一步的提升，屆時會發布16GB的PCIe闆卡産品、8GB的2.5寸U.2接口産品和至少512GB的M.2接口産品。
目前Everspin已經開始小範圍出貨MRAM産品，不過由于較低的産量和高昂的售價，Everspin還在選擇試用客戶，并将在第二季度開始正式出售。一些對性能要求極端嚴格的系統廠商正在考察Everspin的産品，這些廠商往往要求數據存儲的可靠周期在20年以上，MRAM之前曾進入過這些廠商的試用名單。最後，具體的價格方面，Everspin沒有給出太多信息。目前MRAM正處在産業周期的初期，的确不太适合面向普通用戶。
總的來看，MRAN依靠優秀的特性和出色的性能，成為了下一代存儲産品的有力競争者。和之前的NRAM以及FeRAM有所不同的是，MRAM已經正式出貨并且在逐步提升容量。目前的瓶頸依舊是制造和工藝方面，由于材料、産品的差異，MRAM要想擴大規模、搶占市場，變得像今天的DRAM一樣廣受歡迎和普及，還需要一段漫長的時間。從産業角度來看，進入2017年後，各種非易失性存儲技術開始爆發，MRAM也是這些新技術中的一種，并且走在比較前端的位置。未來MRAM的發展究竟會怎麼樣，現在也沒有人敢輕易下定論。不過憑借非易失性、高性能和高可靠性等特性，MRAM應該能占據自己的一塊市場，成為存儲産品的一大家族。