前言：

随着AI和5G时代的到来，新世代存储器的需求日益凸显，其中包括自驾车、精准医疗诊断、卫星影像辨识等领域。

MRAM作为一种采用精致磁性材料的存储器技术，能满足这些领域对更快、更稳定、低功耗的需求。

作者 | 方文三

图片来源 |  网 络 

叠代中的MRAM产品逐渐完成替代

过去，MRAM主要应用于车用或基地台等场景，但由于其架构特性，数据保存、写入耐久性及写入速度等三大特点难以兼得。

随着物联网的不断壮大，越来越多的设备开始测量过去未曾涉及的数据，全球数据处理需求呈现出指数级增长，其中包括利用这些设备的数据进行人工智能训练和推理。

尽管5G等新型无线标准的出现，通信带宽得到了显著提升，但仍难以满足这一增长需求。

为应对这一不匹配现象，更多的处理工作将在边缘进行，尤其是在需要控制功耗的单芯片设备中。

然而，数年前STT MRAM新架构的出现，成功解决了这一问题，并实现了商用化。

与FRAM和ReRAM相比，MRAM在量产和提供显著密度方面取得了更多突破，作为一种离散和嵌入式存储器，具有多种形式。

其中，切换式和（Toggle）自旋转移矩（STT）两种类型的MRAM产品尤为常见。

切换式MRAM正逐渐成为替代SRAM的持久性存储器标准，被广泛应用于交通、航空航天、企业、医疗、物联网和工业领域。

三星基于先进MTJ设计的新进展

MRAM这类存储器是以MTJ单位单元电阻变化为基础的。

它运用[旋转]而非电荷来储存数据，因此能近乎无限期地保留信息，且无需备用电源。

这种架构有助于降低存储设备的总体功耗，从而实现高能源效率。

STT方法通过引导电流直接通过MTJ，以实现自由层磁化方向的调整。这一方法有效地解决了小区间的干扰问题，从而突破了先前技术整合的局限。

目前，三星电子正在运用此方法推动其eMRAM技术的进步，并将之作为代工领域能耗最低的内存产品推向市场。

值得一提的是，MTJ的工艺已从28纳米节点提升至14纳米FinFET，实现了33%的面积缩放。

这一尺寸的提升使得在同一晶圆上能够生产更多芯片，进而提高净芯片产量。

此外，该技术还使得读取周期时间缩短了2.6倍，16Mb的封装尺寸也缩小至30平方毫米，成为当前业界最小的商用尺寸。

在创新和独创性方面，三星研究团队对隧道势垒工艺进行了重大改良，使电阻面积减少25%，短故障率降低2.75倍。

三星布局MRAM已有时日

2002年三星宣布研发MRAM，2005年三星率先研究STT-MRAM。

但是此后的十年间，三星对MRAM的研发一直不温不火，成本和工艺的限制，让三星的MRAM研发逐渐走向低调。

2014年，三星成功生产出8 Mbe MRAM，并利用28nmFDS，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)被用于华为的智能手表，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12月，三星在著名的微电子和纳米电子会议IEEE国际电子器件会议(IEDM)上发表了一篇题为[面向非易失性RAM应用的全球最节能MRAM技术]的论文。

该论文介绍了基于三星28纳米和14纳米逻辑工艺节点的面向非易失性RAM的产品技术。

作为对该论文所分享的杰出研究和突破性成果的认可，三星达到了一个新的里程碑。

三星目标是到2026年实现8纳米制程，到2027年实现5纳米制程。

MRAM优势所对应的应用场景

MRAM具备抵抗高辐射、在极端温度条件下工作以及防篡改等特点，因此在汽车、工业、军事和航天等领域具有广泛的应用前景，这些领域对于MRAM开发者而言至关重要。

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。

车用市场、物联网市场都是MRAM成长动能最高的领域。

MRAM在工业应用中也具有广阔的前景。分析师表示，工业应用程序需要具有非常快的写入能力，且需要非易失性存储。

汽车行业是MRAM受欢迎的重要原因之一。由于对微控制器（MCU）的需求不断增加，闪存的成本也随之上涨。

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。

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

边缘计算旨在源头处处理数据，而非将其传输至集中式数据中心，从而降低延迟和带宽需求，特别适用于对实时决策有要求的人工智能和机器学习应用。

得益于MRAM在断电状态下仍能保存数据，它为边缘计算设备提供了可靠且持久的存储，确保关键数据在电力中断时不会丢失。

此外，MRAM的应用潜力远超人工智能和机器学习领域。其独特的速度、耐用性和非挥发性相结合，使其成为数据中心、汽车系统和消费电子产品等广泛应用的理想之选。

随着MRAM技术的不断成熟和更广泛的应用，预计它将在塑造各行业未来计算方面发挥关键作用。

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%。

到2033年，MRAM及其他新兴内存的收入可能接近10亿美元，并将资本设备的收入推至22亿美元。

国内MRAM相关企业知多少

凌存科技: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：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。

致真存储：国内仅致真存储致力于开发第三代MRAM的研发，其写入技术为SOT-MRAM，技术上对标更接近底层的缓存级存储器，公司SOT-MRAM发明专利数在企业中居全球前十。

去年8月，致真存储成功研发128Kb SOT-MRAM芯片并实现量产，此成果继1Kb SOT-MRAM芯片流片成功后，再度树立了新一代磁存储技术工艺研制的重要里程碑。

珠海兴芯存储：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及NVSRAM。

自有国内首创12英寸磁性存储芯片专用后道工艺中试线，也具有能微缩至1xnm以下的潜力实现产品全流程自主可控。

中国科学院物理研究所团队：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。

亘存科技:近日，聚辰股份完成了对MRAM技术企业[亘存科技]新一轮融资的领投，亘存科技成立于2019年，是目前国内唯一一家专注于围绕该技术进行MRAM相关芯片产品设计开发和销售的Fabless企业。

针对边缘侧、端侧的智能化需求，亘存科技围绕[存储-计算-控制]布局了[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。

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。

结尾：

综合来说，MRAM集Flash非挥发性技术、SRAM快速读写、DRAM高集积度等特性，堪称[完美内存]，甚至可能替代SRAM，未来发展备受业界期待。

展望未来，MRAM及STT MRAM有望逐步替代部分NOR闪存和SRAM，甚至在几年内取代部分DRAM。

部分资料参考：Andy730：《下一代非易失性内存：MRAM》，半导体行业观察：《MRAM，最被看好！》，电子工程世界：《新型存储技术要爆发了》，半导体产业纵横：《MRAM：RAM和NAND再遇强敌》，芯东西：《三星存内计算登Nature》

       原文标题 : AI芯天下丨分析丨三星布局下一代存储：MRAM