當今世界85%的信息被保存在硬盤中，你有沒有想過有那么一天，即便塞爆硬盤，也存不下來現(xiàn)在的數(shù)據(jù)？

很難想象，1971年到1996年人們還在使用只有1.44MB的磁性軟盤?，F(xiàn)在，雖然NAND Flash稱王，人們能存得越來越多，讀取得也越來越快，但也愈遇瓶頸。隨著制程技術愈發(fā)逼近1nm，硬盤容量提升越來越難，人們不斷把硬盤內(nèi)的NAND Flash芯片“堆高高”，從另一個維度提升硬盤容量。

但技術瓶頸依然存在，此時就需要新的技術，備受矚目的技術，便是MRAM（磁阻存儲器）。對，沒錯，人們兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)又將希望放到了“磁”上。

本文是“一級市場”專題第一篇文章，關注MRAM國際巨頭發(fā)展與國內(nèi)創(chuàng)業(yè)情況。

付斌丨作者

電子工程世界（ID：EEworldbbs）丨出品

新時代的王

其實，除了我們熟知的內(nèi)存（DRAM）和SSD（NAND Flash），科學家和業(yè)界一直都想換掉你電腦里的內(nèi)存和硬盤，因為它們并非完美的技術，要么斷電丟失數(shù)據(jù)，要么存得比較慢。

為此，新型存儲便橫空出世。新型存儲器主要包括4種：阻變存儲器（ReRAM/RRAM），相變存儲器（PCM），鐵電存儲器（FeRAM/FRAM），磁性存儲器（MRAM）。

主要新型存儲參數(shù)對比，制表丨電子工程世界

MRAM就是新型存儲中非常重要，且離產(chǎn)業(yè)很近的一種，簡單說，就是更強更快。不過，存儲界并不存在什么六邊形戰(zhàn)士，所以都是看應用需要什么，選擇什么技術。

四類新型非易失性存儲器與NAND Flash指標綜合對比圖，圖源丨科技中國

MRAM是一種非易失性存儲技術，它被稱為“全能手”，顧名思義，是因為MRAM什么都會做一些。

SRAM雖快，但容量極低；DRAM結(jié)構(gòu)簡單，但也被易失性所困；非易失性、大容量的Flash則耐久有限，同時隨著制程逐步逼近極限而無限觸碰極限。

而MRAM有著介于SRAM和DRAM兩種易失性存儲技術之間的速度和面積，同時擁有讀寫次數(shù)無限、寫入速度快、功耗低、抗輻射和邏輯芯片整合度高的特點。此外，目前MRAM實驗室耐溫可達-40℃~150℃，覆蓋了車規(guī)芯片的-40℃~120℃。

當然，MRAM也并非沒有缺點，它還面臨很多的挑戰(zhàn)，比如真實器件材料體系復雜、開關比低，CMOS工藝要完全匹配等。此外，MRAM的發(fā)展仍然遇到動態(tài)功耗、能量延遲效率和可靠性方面的瓶頸。

與傳統(tǒng)的RAM不同，MRAM不以電荷或電流存儲數(shù)據(jù)，而是由磁性隧道結(jié)MTJ (Magnetic tunnel junction）磁性存儲數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在，MTJ存在各種各樣的結(jié)構(gòu)，這也是MRAM復雜所在。

不同MTJ類型，圖源丨中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所

目前，MRAM分為三代：第一代為MRAM，叫做磁場的驅(qū)動型MRAM；第二代為STT-RAM（自旋轉(zhuǎn)移扭矩），通過通入垂直于隧道結(jié)的電流使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)；第三代MRAM技術分為兩種，分別為通過在重金屬層中通入面內(nèi)電流使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)的叫自旋軌道矩MRAM（SOT-MRAM）和通過施加電壓改變磁各向異性使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)的叫做壓控磁各向異性MRAM（VCMA-MRAM或MeRAM）。

MRAM發(fā)展已有很長的歷史，在IoT嵌入式存儲領域擁有諸多應用，近年來基于自旋矩轉(zhuǎn)移的STT-MRAM成為了主流，同時第三代的SOT-MRAM正在逐漸產(chǎn)業(yè)化。

MRAM的應用場景主要是取代現(xiàn)有的一些存儲技術。比如說，可以用于替代DRAM或者SRAM，使其在斷電情況下也能保存數(shù)據(jù)，MRAM在讀寫速度與耐久度方面有明顯的優(yōu)勢。

工業(yè)領域，應用需要具有非?？斓膶懭肽芰?，且需要非易失性存儲，但NAND、NOR和 EEPROM寫入慢，耗電多，還要額外搭配電池的SRAM，此時MRAM的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。

在自動駕駛、AI興起的現(xiàn)如今，對存算都要求計算更快，算力更強，這就需要讓存儲器嵌入到處理芯片（如MCU），從而以極短數(shù)據(jù)傳輸距離（納米~微米量級）實現(xiàn)近內(nèi)存計算。

MRAM在工藝上與CMOS高度兼容，可拿出一個金屬層做MRAM而把其他金屬層做處理器及邏輯電路，易于實現(xiàn)納米~微米量級的極短數(shù)據(jù)傳送距離，從而使AI計算的算力按數(shù)量級提升。所以自動駕駛儀和車載電子都是MRAM極好的應用場景。

國內(nèi)能把握新機會嗎？

MRAM無疑是具備“錢景”的。許多專家都預言，MRAM將帶來下一波存儲浪潮。

Menafn報道顯示，MRAM市場將從此刻開始爆發(fā)，到2031年預計價值將達191.893億美元，2021年~2031年復合年增長率將達36.6%。車用市場、物聯(lián)網(wǎng)市場都是MRAM成長動能最高的領域。

Yole Developpement預測，2020年~2026年間，整體新興非揮發(fā)性內(nèi)存（NVM）市場的年復合成長率約為44%，隨著新興嵌入式NVM技術顯著成熟，預估2026年eMRAM市場規(guī)模為17億美元，約占整體新興eNVM市場的76%。

國際上，一直高度關注MRAM，一些標志性事件包括：

1980年代，分子束外延設備進入法國；
1988年，費爾團隊發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應；
1990年，IBM開始利用該效應研制大容量硬盤；
1997年，巨磁阻硬盤商用，至今數(shù)據(jù)存儲容量提高了超過10萬倍；
2008年，飛思卡爾成立EverSpin公司推動MRAM業(yè)務；
2012年，Everspin宣布世界上第一個STT-MRAM芯片，并于2013年開始向客戶提供；
美國Everspin公司于2018年發(fā)布了1GB容量的商用STT-MRAM芯片；
韓國三星公司已在28nm FD-SOI工藝的生產(chǎn)線大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式MRAM（eMRAM）；
英特爾推出過一種新型MRAM，可以將存儲空間提高20倍，比傳統(tǒng)DRAM快20倍；
2014年，Everspin宣布將提高產(chǎn)量，該公司披露了幾個新的客戶和生態(tài)系統(tǒng)關系；
2019年，西部數(shù)據(jù)采用自旋震蕩寫入技術（MRAM），使容量再提高10~20倍；
2022年6月，臺灣工研院與臺積電合作開發(fā)的低壓電流SOT-MRAM，具有高寫入效率和低寫入電壓的特點，其SOT-MRAM實現(xiàn)了0.4納秒的寫入速度和7萬億次讀寫的高耐久度，還可提供超過10年的數(shù)據(jù)存儲壽命；
2022年10月，三星研究在14nm FinFET邏輯工藝平臺上實現(xiàn)了磁性隧道結(jié)堆疊的磁阻式隨機存取存儲器（MRAM）制造，據(jù)稱是目前世界上尺寸最小、功耗最低的非易失性存儲器；
2023年5月，恩智浦半導體（宣布，與臺積電合作，推出業(yè)界首款采用16nm鰭式場效電晶體（FinFET）技術的車用嵌入式磁阻式隨機存取記憶體（MRAM）。

磁存儲器中國探索較早，早在50年代末到60年代初，國內(nèi)就掀起了存儲技術產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)，雖然彼時沒有MRAM這樣的概念，但當時仿制蘇聯(lián)計算機的磁芯存儲技術可以稱作是最早的MRAM。

根據(jù)EEworld不完全統(tǒng)計，磁宇信息、馳拓科技、興芯存儲、凌存科技、致真存儲、亙存科技幾家表現(xiàn)值得關注，其中尤其后三家公司在最近擁有諸多動作。

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、專用電路設計等實現(xiàn)多處技術突破；
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，達到國際一流水平，可為廣大電池供電的應用場景提供高性價比方案；
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用于車載電子、高性能運算、安全等領域，其還將存儲介質(zhì)、集成電路、系統(tǒng)及相關專利授權(quán)給有高效性運算以及安全芯片需求的公司自行開發(fā)相關產(chǎn)品；
磁宇信息是擁有pSTT-MRAM專用12寸薄膜制造/測試設備和pSTT-MRAM專用12寸刻蝕設備的公司，國外MRAM主要應用在固態(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，是國內(nèi)第一家達到此規(guī)格的廠商，未來量產(chǎn)后可取代目前市場上由外商供應昂貴的FRAM、電源供應SRAM（BatteryBackup SRAM），NVSRAM；
中國科學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。

MRAM一級市場情況不完全統(tǒng)計，制表丨電子工程世界

總結(jié)來看，傳統(tǒng)存儲器市場受挫，國產(chǎn)選擇了另辟蹊徑，這是一個還沒有那么“卷”的賽道。除此之外，MRAM的用途廣，不論從嵌入式還是自動駕駛、AI，它都能駕馭。不止如此，MRAM0還能用在存算一體之中，引發(fā)更大的芯片革命。或許，國產(chǎn)可以從這里切開存儲市場壟斷的口子。

不過，也要理性看待這項技術，技術成熟度還有距離，同時還未凸顯成本優(yōu)勢，加之其它新型存儲技術也在發(fā)展之中，只能說MRAM是現(xiàn)在最有希望的那一個。

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[8] 致真存儲：喜訊|致真存儲自研128Kb SOT-MRAM流片成功！.2023.8.15.https://mp.weixin.qq.com/s/e3s6_d1RspO685pCZxcfcA

[9] 渾璞投資：已投動態(tài)丨亙存科技完成新一輪融資，持續(xù)打造“存儲-計算-控制”的一體化生態(tài).2023.9.20.https://mp.weixin.qq.com/s/_ZOy4i2aC5C35eDNim5qxw

[10] 創(chuàng)投日報：公司評測|凌存科技完成數(shù)千萬元Pre-A輪融資聚焦第三代高速存儲芯片.2023.5.6.https://mp.weixin.qq.com/s/uIasjcrhQRrWol7YOQCyBg

[11] 一村資本：36氪 | 顛覆儲存器行業(yè)？磁宇信息獲華西股份千萬級人民幣B輪融資.2018.4.2.https://mp.weixin.qq.com/s/Bu99xns-JHhwUYtKhu0Zuw

[12] 前海星河資本：被投企業(yè) | 珠海南北極科技領先全球：MRAM達到非易失性內(nèi)存 (NV-RAM) 規(guī)格.2021.6.23.https://mp.weixin.qq.com/s/EbJZMVFRTrahfOmMCbmxLg

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