STT-MRAM 非易失性磁性随机存取存储器

STT-MRAM （自旋传递扭矩磁性随机存取存储器）是第二代 MRAM（磁性随机存取存储器）。其核心优势在于利用自旋电流技术实现高效的信息写入。其存储单元的核心部件是一个精心设计的 MTJ（磁隧道结），它由两个不同厚度的铁磁层和一个只有几纳米厚的非磁性隔离层夹在一起。这种独特的设计使 STT-MRAM 成为一种先进的非易失性存储器，可通过精确控制自旋电流来执行数据写入操作。

STT-MRAM 的工作原理

存储单元由晶体管、磁隧道结（MTJ）和连接线组成。MTJ 由固定层（强磁性）、非磁性隔离层和自由层（弱磁性）堆叠而成，其中自由层的磁矩很容易反转。晶体管用作选址开关，其漏极与 MTJ 固定层相连。当晶体管被栅极激活时，源极、漏极、MTJ 和位线形成一个闭合回路。

写入信息时，位线和附加写入信息线分别产生半选择写入磁场，两个磁场正交。只有当选择存储单元并接通附加写信息线时，自由层的磁矩才会在双磁场的作用下发生反转，与固定层的磁矩平行或反平行，从而导致 MTJ 电阻发生变化，实现信息存储。

读取信息时，小电流通过所选的存储单元，在 MTJ 上产生电位差，反映其电阻状态。通过测量电位差，可以非破坏性地确定自由层和固定层磁矩的相对方向，从而读取存储的信息。

（MTJ模式后的MRAM工艺流程）

STT-MRAM 特性

1. 在意外断电的情况下，STT-MRAM 固有的非易失性存储器功能使客户无需依赖备用电池即可保护数据。
2. STT-MRAM 的快速读/写性能大大降低了系统读/写延迟，使就地执行应用程序的效率更高。
3. STT-MRAM 具有高带宽读写和非易失性的特点，可发挥存储器和运行存储器的双重功能；无写入延迟；可实现系统断电自动保护。
4. STT-MRAM 存储器是国内自主产品，首次批量出货。
5. 数据安全性大大加强，使开发和部署防篡改应用程序更加方便。
6. SRAM+FLASH+EEPROM 可同时更换。

STT-MRAM 与普通存储器的比较如下：

表 1：

表 2：

应用

作为一项颠覆性技术，STT-MRAM 正在逐步重塑从消费电子和个人电脑到汽车、医疗、军事和航空航天等广泛领域的产品性能格局。这预示着半导体行业将掀开新的篇章，同时也将激发产品创新的潜力。

在汽车行业，STT-MRAM 以其卓越的读取速度、超低功耗和高密度远远超过 eFlash 和 eSRAM，成为推动汽车智能化和高性能的关键力量。对于便携式设备和手机市场，STT-MRAM 通过取消多芯片封装（MCP）来统一存储器子系统，从而简化了设计，显著降低了系统功耗，大大延长了电池寿命。

在个人电脑领域，STT-MRAM 展示了强大的替代能力。无论是作为 SRAM 的高速缓存，还是替代闪存作为非易失性缓存，甚至是在高速程序执行中替代 PSRAM 和 DRAM，STT-MRAM 都表现出性能优势。此外，在众多嵌入式应用中，STT-MRAM 正在逐步取代 NOR 闪存和 SRAM，成为提高系统性能和可靠性的新选择。