隨著生成式AI的興起，對大量內(nèi)存的需求在數(shù)據(jù)中心中迅速增加，而MRAM（自旋轉(zhuǎn)移矩陣存儲器）作為一種非易失性內(nèi)存，在高速讀寫性能的同時能夠在斷電情況下保存數(shù)據(jù)，且耗電量較低，因而成為備受關(guān)注的對象。

存儲技術(shù)目前情況

存儲技術(shù)發(fā)展更迭50年，逐漸形成了SRAM、DRAM及Flash這三大主要領(lǐng)域。但是隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)持續(xù)朝更小的技術(shù)節(jié)點邁進(jìn)，傳統(tǒng)的DRAM和NAND Flash開始面臨越來越嚴(yán)峻的微縮挑戰(zhàn)；再加上由于這些存儲技術(shù)與邏輯計算單元之間發(fā)展速度的失配，嚴(yán)重制約了計算性能和能效的進(jìn)一步提升。因此，業(yè)界開始對新型存儲技術(shù)寄予厚望，越來越多的新型技術(shù)迅速涌現(xiàn)。目前主流的新型存儲器主要包括四種：阻變存儲器（ReRAM/RRAM），相變存儲器（PCRAM），鐵電存儲器（FeRAM/FRAM），磁性存儲器（MRAM）。其中MRAM正在成為當(dāng)下主流的新型存儲技術(shù)，并且有專家預(yù)言，MRAM將帶來下一波的存儲浪潮。

（一）MRAM的特點

MRAM是一種兼具DRAM和Flash特點的存儲介質(zhì)，以下是MRAM的一些具體特質(zhì)。

非易失：鐵磁體的磁性不會由于斷電而消失，故MRAM具備非易失性。讀寫次數(shù)無限：鐵磁體的磁性不僅斷電不會消失，而是幾乎可以認(rèn)為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無限次重寫。

寫入速度快、功耗低：MRAM的寫入時間可低至2.3ns，并且功耗極低，可實現(xiàn)瞬間開關(guān)機并能延長便攜機的電池使用時間。

和邏輯芯片整合度高：MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，甚至可以實現(xiàn)2~3層單元疊放，故具備在邏輯電路上構(gòu)造大規(guī)模內(nèi)存陣列的潛力。

（二）和其他存儲相比，MRAM強在哪兒？

與SRAM相比，MRAM速度稍慢，但MRAM在速度上仍然具有足夠的競爭力，此外SRAM的設(shè)計更復(fù)雜，MRAM的密度更高，以及MRAM是非易失性的，而SRAM是易失性的，斷電就會丟失數(shù)據(jù)，MRAM則不會面臨這種困擾。

與 DRAM相比，由于DRAM需要電容器充電/放電來完成讀寫，所以MRAM的讀/寫速度更快，在密度上MRAM和DRAM相似，但DRAM也是一種易失性存儲器。此外，MRAM的單元泄漏較低；與經(jīng)常刷新數(shù)據(jù)的DRAM相比，MRAM的電壓要求也比較低。

與Flash相比，MRAM 與Flash同樣是非易失性的，但是MRAM在耐高溫、數(shù)據(jù)保存，尤其是操作耐久度上，優(yōu)于Flash。要知道MRAM具備寫入和讀取速度相同的優(yōu)點，并具有承受無限多次讀寫循環(huán)的能力。

與ReRAM相比，ReRAM隨機讀寫速度優(yōu)于傳統(tǒng)存儲器，但要慢于MRAM和FRAM；同時ReRAM的讀寫次數(shù)約在100萬次左右，較傳統(tǒng)存儲器有數(shù)量級的增加，但少于MRAM的讀寫次數(shù)；其中密度和相應(yīng)的成本是ReRAM的最大優(yōu)勢；從成本方面看，MRAM由于材料的復(fù)雜性、密度瓶頸、抗磁干擾等難點，其成本會較高。

與FeRAM相比，MRAM與其性能較為類似，但FeRAM的讀寫速度要優(yōu)于MRAM，且可以保持較低的功耗，F(xiàn)RAM的劣勢則在于，其成本比MRAM還要高，所以它可以應(yīng)用于一些非常特殊的市場。

PCRAM也是未來十年內(nèi)最具潛力的新型存儲技術(shù)之一。PCRAM 具有容量大、集成度高、速度快、功能低和成本低等優(yōu)點，特別是與新型 CMOS 工藝兼容。不過PCRAM也存在著一些明顯不足之處，特別是寫操作速度無法與DRAM相媲美，寫耐久性也與DRAM相差較大等。寫耐久性差是將其大規(guī)模應(yīng)用于計算機系統(tǒng)所面臨的主要障礙之一，目前國內(nèi)外研究人員正在研究一些解決方案來應(yīng)對。就目前來說，PCRAM的商業(yè)化程度還沒有MRAM高。

二、MRAM是AI存儲發(fā)展趨勢，力積電三星均重倉布局

力積電計劃與日本企業(yè)Power Spin合作，目標(biāo)在2029年實現(xiàn)MRAM內(nèi)存的量產(chǎn)。Power Spin將提供MRAM相關(guān)IP授權(quán)，而力積電則負(fù)責(zé)進(jìn)一步的量產(chǎn)研發(fā)和試產(chǎn)，以推動這一新型內(nèi)存的普及。

Power Spin是由日本東北大學(xué)于2019年成立，擁有STT-MRAM相關(guān)技術(shù)。MRAM內(nèi)存的特點是非易失性，高速讀寫，以及理論上可降低至現(xiàn)有內(nèi)存的1/100的耗電量。然而，MRAM也面臨成本高和耐用性等問題。在AI浪潮下，數(shù)據(jù)中心對大量內(nèi)存的需求增加，因此MRAM成為備受關(guān)注的技術(shù)。

力積電計劃使用在日合資公司的二期生產(chǎn)線生產(chǎn)MRAM內(nèi)存，力圖推動這一新型內(nèi)存的普及。這個合資公司由力積電與日本SBI控股于去年成立，總投資達(dá)8000億日元，首期計劃于2027年建成投產(chǎn)，而二期則預(yù)計在2029年投入使用。此舉顯示了力積電在MRAM領(lǐng)域的雄心和布局。

除了力積電，三星也在布局下一代存儲技術(shù)，計劃于2026年量產(chǎn)8nm車用eMRAM。此外，臺積電近期宣布下一代SOT-MRAM內(nèi)存研發(fā)成功。MRAM內(nèi)存市場規(guī)模已于2022年達(dá)到300億日元，表明該技術(shù)在半導(dǎo)體代工業(yè)界備受矚目。

在全球范圍內(nèi)，半導(dǎo)體大廠紛紛投入研究力量，布局相關(guān)技術(shù)開發(fā)，以滿足快速讀寫、低耗電、斷電后不會遺失資料的前瞻記憶體儲存技術(shù)需求。

臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也在積極支持相關(guān)研究，如臺灣實驗研究院與臺積電合作的“選擇器元件與自旋轉(zhuǎn)移力矩式磁性記憶體整合”技術(shù)。這一技術(shù)在IEDM（International Electron Devices Meeting）中發(fā)表，并被選為Highlight Paper，成為成功開發(fā)高密度、高容量STT-MRAM制作技術(shù)的團隊之一。

MRAM技術(shù)的發(fā)展不僅在硬件制造領(lǐng)域有所突破，同時在應(yīng)用領(lǐng)域也有著廣泛的前景。在汽車、工業(yè)、軍事和航天等領(lǐng)域，MRAM因其抵抗高輻射、在極端溫度條件下工作以及防篡改等特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。在工業(yè)應(yīng)用中，MRAM的快速寫入能力和非易失性存儲使其成為理想的選擇。

三、MRAM的主要應(yīng)用市場

MRAM在邊緣方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。邊緣計算在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、機器人、可穿戴設(shè)備、人工智能、汽車以及便攜式設(shè)計等領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷增長。伴隨著這些增長的是大家對高速、低延遲、非易失性、低功耗、低成本內(nèi)存（用于程序存儲和數(shù)據(jù)備份）的需求。雖然有許多可用方案，包括 SRAM、DRAM、閃存等,但這些技術(shù)都需要在一個或多個領(lǐng)域進(jìn)行權(quán)衡，這對于邊緣計算來說，它們似乎都不太適合。MRAM 將數(shù)據(jù)存儲在磁存儲單元中，提供真正的隨機訪問，并允許在內(nèi)存中隨機讀寫。此外，MRAM 結(jié)構(gòu)和操作具有低延遲、低泄漏、高寫入周期數(shù)和高保持率等特點，而這些恰恰都是邊緣計算非常需要的。此外，MRAM是實現(xiàn)存算一體的理想存儲器之一。到目前為止，多種存儲器介質(zhì)被研究用于構(gòu)建存算一體系統(tǒng)。SRAM和DRAM是易失性器件，頻繁的刷新并不利于降低功耗。而Flash雖然是非易失性的，但是隨著讀寫次數(shù)增加，浮柵氧化層會逐漸失效，反復(fù)讀寫可靠性很低。因此，各種基于電阻改變的新型存儲器是實現(xiàn)存算一體的有效載體。MRAM則是基于對電子“自旋”的控制，可以達(dá)到理論上的零靜態(tài)功耗，同時具有高速和非易失性以及近乎無限的寫入次數(shù)。MRAM在速度、耐久性、功耗這些方面具有不可替代的優(yōu)越性。因此，MRAM是實現(xiàn)存算一體的理想存儲器之一。

四、資本瞄準(zhǔn)MRAM加注，全球國內(nèi)MRAM新興勢力

據(jù)全球半導(dǎo)體觀察不完全統(tǒng)計，包括致真存儲、亙存科技、馳拓科技等布局MRAM的企業(yè)獲得資本投資：致真存儲完成數(shù)千萬元Pre-A輪融資；馳拓科技獲得B輪融資；亙存科技獲得新一輪融資；凌存科技獲pre-A輪融資。

2023年8月，致真存儲自主研發(fā)的128Kb SOT-MRAM 芯片成功下線，是繼1Kb SOT-MRAM流片成功后又一個重要的新一代磁存儲技術(shù)工藝研制里程碑，圍繞自旋軌道矩材料、磁性隧道結(jié)圖案化、專用電路設(shè)計等實現(xiàn)多處技術(shù)突破；

亙存科技針對邊緣側(cè)、端側(cè)的智能化需求，圍繞“存儲-計算-控制”布局“獨立式MRAM存儲芯片”和包含嵌入式MRAM的“AI SoC芯片”兩條核心產(chǎn)品線，為消費、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等領(lǐng)域的客戶提供具備競爭力的高能效、智能化單芯片系列解決方案。其中，AI SoC的“超低功耗”版本運行功耗低至5uA/MHz，達(dá)到國際一流水平，可為廣大電池供電的應(yīng)用場景提供高性價比方案；國內(nèi)科創(chuàng)板上市公司聚辰半導(dǎo)體（688123.SH）于2019年完成了對MRAM技術(shù)企業(yè)亙存科技的融資領(lǐng)投，成為國內(nèi)一家專注于MRAM技術(shù)的Fabless企業(yè)。

凌存科技已成功開發(fā)出世界首款高速、高密度、低功耗的存儲器MeRAM原型機和基于MeRAM的真隨機數(shù)發(fā)生器，其開發(fā)的高性能存儲芯片廣泛應(yīng)用于車載電子、高性能運算、安全等領(lǐng)域，其還將存儲介質(zhì)、集成電路、系統(tǒng)及相關(guān)專利授權(quán)給有高效性運算以及安全芯片需求的公司自行開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品；

磁宇信息是擁有pSTT-MRAM專用12寸薄膜制造/測試設(shè)備和pSTT-MRAM專用12寸刻蝕設(shè)備的公司，國外MRAM主要應(yīng)用在固態(tài)硬盤內(nèi)，實現(xiàn)固態(tài)硬盤性能大幅度提升，這也是磁宇信息產(chǎn)品的起點；

馳拓科技也已經(jīng)有客戶進(jìn)行了量產(chǎn)，為嵌入式非易失性存儲，用于MCU/SOC和慢速SRAM；

珠海興芯存儲（珠海南北極科技全資子公司）NV-RAM規(guī)格的MRAM技術(shù)，是國內(nèi)第一家達(dá)到此規(guī)格的廠商，未來量產(chǎn)后可取代目前市場上由外商供應(yīng)昂貴的FRAM、電源供應(yīng)SRAM（BatteryBackup SRAM），NVSRAM；

中國科學(xué)院物理研究所團隊則研制了一種磁矩閉合型納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)，作為存儲單元的新型MRAM原型器件。

綜合來看，MRAM技術(shù)在硬件制造、應(yīng)用領(lǐng)域都取得了顯著進(jìn)展，未來有望逐步替代部分NOR閃存和SRAM，甚至在幾年內(nèi)取代部分DRAM。隨著MRAM技術(shù)的不斷成熟和廣泛應(yīng)用，預(yù)計它將在塑造各行業(yè)未來計算方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。MRAM市場爆發(fā)勢頭迅猛，預(yù)計到2031年價值將達(dá)191.893億美元，復(fù)合年增長率達(dá)36.6%，為整個半導(dǎo)體行業(yè)帶來新的增長動能。

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