存储芯片被广泛应用在计算机、手机、音乐播放器、数码相机、家电设备、飞机和汽车上，已经达到了几乎无所不在的程度。不过，不同的存储产品具有不同的优点和缺点，使得它们的应用各自受到局限。一般来说，每一个电子设备都会使用好几种存储芯片，以弥补各自的不足。例如静态随机存取存储芯片(SRAM)或随机存取存储芯片(DRAM)被广泛用于计算机等设备，它们具有非常快的存取速度，但在掉电的情况下会丢失全部数据。闪存芯片(FLASH)则常见于音乐播放器、数码相机或是手机，它们可以在掉电时也保存数据，不过存取速度相对比较慢，同时随着时间推移，数据会丢失。

事实上，在当今移动计算日益普及的环境中，过去的存储技术已经显得力不从心，尤其是难以满足电子产品对存储体积更小的要求。磁阻随机存取存储器(MRAM)的出现是一个重大的进步，有望改变这种局面，已受到日益广泛的关注。MRAM可以作为通用存储器，而无须结合使用多种存储器。独立的MRAM芯片是SRAM的理想替代产品，具有可靠经济的优点。MRAM还可以作为高速缓冲存储器、配置存储器，以及应用在其它任何能够利用MRAM的速度、灵活性、非易失性的解决方案中。通过在各种处理器和控制器芯片上嵌入MRAM，该技术有望实现更多的未来应用。

MRAM介绍

MRAM是一种非易失性的磁性随机存储器，所谓“非易失性”是指掉电后，仍可以保持存储内容完整，功能与FLASH闪存相同。而“随机存取”是指处理器读取资料时，不一定要从头开始，随时可用相同的速率，从内存的任何位置读写信息。MRAM中每个存储元件采用磁隧道结(MTJ)设备来进行数据存储。MTJ由固定磁层、薄绝缘隧道隔离层和自由磁层组成。当向MTJ施加偏压时，被磁层极化的电子会通过一个称为穿遂(Tunneling)的过程，穿透绝缘隔离层。当自由层的磁矩与固定层平行时，MTJ设备具有低电阻;而当自由层的磁矩方向与固定层反向平行(anti-parallel)时，则具有高电阻。随着设备磁性状态的改变，电阻也会变化，这种现象就称为磁阻，“磁阻”RAM也因此得名。

图1 1个晶体管，1个MTJ存储器单元的图解

图2 存储器矩阵包括MRAM单元

与大部分其他半导体存储器技术不同，数据作为一种磁性状态(而不是电荷)存储，并且通过测量电阻来感应，不会干扰磁性状态。采用磁性状态存储有两个主要优点：(1)磁场极性不像电荷那样会随着时间而泄漏，因此即使在断电的情况下，也能存储信息;(2)在两种状态之间转换磁场极性时，不会发生电子和原子的实际移动，这样也不会有所谓的失效机制。在MRAM中使用的磁阻设备非常类似于在硬盘中使用的读取设备。

如图1所示，MRAM单元有两条写入线，有读取电流的路径。晶体管导通用于检测(读取)，截至用于编程(写入)。为了制造高密度存储器，MRAM单元排列在一个矩阵中，每个写入线横跨数百个或数千个位，带有用于进行交叉点写入的数据线和位线，以及字线控制的隔离晶体管，如图2所示。在写入操作中，电流脉冲通过数据线和位线，只写入处在两线交叉点的位。在读取操作中，目标位的绝缘晶体管被打开，为MTJ施加偏压，将产生的电流与参考值进行比较，以确定电阻状态是低还是高。

MRAM技术优势

与现有的Flash、SRAM、DRAM相比，MRAM由于拥有存取速度高、存取次数多、耗电量低及小体积、可嵌入，不会随着时间的推移而丢失数据等特性，较现有的其他存储产品在可携式电子产品的应用上更具优势。

首先，由于MRAM是非易失性的，所以完全断电后，它会保留数据。由于不需要背景刷新，能够在非激活状态下关闭MRAM。与DRAM相比，这可以大幅降低系统功耗。MRAM易于集成，能够更加轻松地嵌入系统中去。与SRAM相比，因为MRAM的单元尺寸更小，所以MRAM将在成本竞争上处于优势。MRAM还是非易失性的，而对于SRAM而言，只有比较复杂和昂贵的电池备份解决方案才能实现这一点。与闪存相比，MRAM的写入性能更佳，因为它的穿遂模式不要求高电压，并且MRAM的写入速度相当快。MRAM在写入周期中消耗的电流更少，写入每个数据位所需的功耗比闪存低几个数量级。MRAM的耐久性是无限的，没有明显的或预计的磨损机制，而典型闪存的耐久性仅为105个写入周期。

MRAM技术步入商用

在过去10年里，磁阻存储已经成为存储芯片行业的一个技术热点，很多公司不惜投入巨资展开研究，而飞思卡尔公司成为第一家提供商用产品的公司。2006年，全球第一款商用MRAM产品在飞思卡尔投入生产，飞思卡尔将其命名为MR2A16。MR2A16基于Toggle写入模式，并与采用铜互连技术的CMOS相集成。MRAM单元采用单个晶体管和磁性隧道结构，结合其创新的体系，以保证磁数据的可靠写入。

图3 MR2A16A MRAM的显微照片

MR2A16A可以实现非常灵活的系统设计而不会导致总线竞争。MR2A16A带有单独的字节支持控制(byte-enable control)，各字节均可独立写入和读取。MR2A16的运行电压为3.3V，采用对称高速读写功能，读写周期为35ns，可以在0～70℃的温度范围内工作。MR2A16能够用8位或16位的数据总线进行存取，相同的地址和芯片支持存取次数，带有低压抑制电路的自动数据保护功能可防止电源中断时写入数据，所有输入和输出都兼容TTL，采用完全静态的操作，数据至少可保存10年。MR2A16A经济而又可靠，适用于多种商业应用，包括网络、安全、数据存储、游戏和打印机等。在需要永久存储和快速检索关键数据的应用中，MR2A16A是理想的存储器解决方案。MR2A16A MRAM的显微照片如图3所示。

不难发现，MRAM的魅力在于兼具DRAM大容量与SRAM速度快的优点，且与Flash闪存同属于非易失性存储器，因此即使关机断电后，数据仍旧存在，而它比Flash的使用寿命更长、存取速度更快。在今日消费者需要大量且高速读写存储媒体的需求推动下，MR2A16A等MRAM产品将有更广泛的应用前景。