人類正處于一個“信息大爆炸”的時代。我們平時使用的計算機(jī)與電子產(chǎn)品都需要處理大量的信息，那么這些信息（程序與數(shù)據(jù)）會放在哪里呢？
答案是：存儲器（Memory）。存儲器是每一個計算機(jī)系統(tǒng)、存儲方案與移動設(shè)備都在使用的關(guān)鍵部件之一。
目前，主流的存儲器以隨機(jī)存取存儲器（RAM）與閃存（Flash）為代表。RAM的讀寫速度快，但無法長時間儲存數(shù)據(jù)，斷電時將丟失其存儲的數(shù)據(jù)，具有“易失性”；Flash能保存數(shù)據(jù)，在斷電條件下也能長久保持?jǐn)?shù)據(jù)，具有“非易失性”，但讀寫速度卻不佳。
近些年，新興的移動計算、云計算、大型數(shù)據(jù)中心等，對存儲技術(shù)都提出了越來越高的要求，例如容量高、速度快、功耗低。
因此，科學(xué)家們希望將RAM的速度與Flash的非易失性結(jié)合起來，探索研發(fā)新一代存儲器，例如磁性隨機(jī)存儲器(MRAM)、阻變式隨機(jī)存器(RRAM)。
作為MRAM的二代產(chǎn)品，自旋轉(zhuǎn)移矩-磁性隨機(jī)存儲器（STT-MRAM）近來備受關(guān)注。
在STT-MRAM中，電子的自旋會通過自旋極化電流快速翻轉(zhuǎn)。這種效應(yīng)是在“磁隧道結(jié)(MTJ)”或者“自旋閥”中實現(xiàn)的，STT-MRAM采用STT隧道結(jié)（STT-MTJ）。電流流過磁性層時將被極化，形成自旋極化電流。自旋電子將自旋動量傳遞給自由層的磁矩，使自旋磁性層的磁矩獲得自旋動量后改變方向，這個過程稱為自旋傳輸矩。因此，STT-MRAM是通過自旋電流實現(xiàn)信息寫入的。
STT-MRAM中的數(shù)據(jù)以磁狀態(tài)存儲，具有天然的抗輻照、高可靠性以及幾乎無限的讀寫次數(shù)。與DRAM不同，STT-MRAM不需要功率刷新，而且讀出過程也不會破壞所存儲的數(shù)據(jù)，從而在系統(tǒng)級實現(xiàn)了低功耗與低延遲。與現(xiàn)有的NAND Flash相比，寫入速度快上10萬倍，而讀取速度則快上接近10倍。而且，STT-MRAM運行時只需少量電力，不使用時完全不需要電力。
作為下一代存儲技術(shù)，STT-MRAM芯片的尺寸顯著縮小，讀寫速度卻大大提升。因此，它特別適合用于移動設(shè)備中的嵌入式存儲器。特別是，如今物聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展，STT-MRAM有望發(fā)揮更大的作用。
目前，GlobalFoundries、三星(Samsung)、臺積電(TSMC)、聯(lián)電(UMC)等大型半導(dǎo)體制造工廠都在積極推動STT-MRAM走向批量生產(chǎn)。
近日，日本東北大學(xué)教授Tetsuo Endoh領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊成功開發(fā)出存儲密度達(dá)128Mb的STT-MRAM，寫入速度達(dá)14納秒，可作為嵌入式存儲器使用，例如物聯(lián)網(wǎng)和人工智能中所用的緩存。它是目前世界上存儲密度高于100Mb的嵌入式存儲器中寫入速度最快的，并且將為大容量STT-MRAM的量產(chǎn)鋪平道路。
STT-MRAM目前的容量范圍是在8Mb~40Mb。但是為了讓STT-MRAM變得更加實用，有必要增加其存儲密度。創(chuàng)新集成電子系統(tǒng)中心（CIES）的團(tuán)隊展開了集中開發(fā)，用CMOS技術(shù)將磁性隧道結(jié)（MTJs）集成在STT-MRAM中，提升STT-MRAM的存儲密度。這樣也將顯著降低以緩存與嵌入式閃存為代表的嵌入式存儲器的功耗。
磁性隧道結(jié)可通過一系列工藝開發(fā)來進(jìn)行小型化處理。為了減小更高密度的STT-MRAM所需的存儲器尺寸，磁性隧道結(jié)可直接通過孔洞來成形加工，這些孔洞就是一些使半導(dǎo)體器件各層之間進(jìn)行導(dǎo)電連接的小開口。通過采用尺寸縮小的存儲單元，研究小組設(shè)計出了存儲密度達(dá)128Mb的自旋轉(zhuǎn)移矩-磁隨機(jī)存儲器，并制造出了芯片。
如下圖所示：(a）存儲密度達(dá)128Mb的STT-MRAM模型圖像(b)寫入速度與電源電壓之間的Shmoo圖，它展示了在每個速度與電壓下，測量到的操作比特率的彩色等級。
在制造出的芯片中，研究人員們測量了子陣列的寫入速度。結(jié)果，在1.2V的低電源電壓下，高速操作的速度可達(dá)14納秒。迄今為止，這是世界上存儲密度超過100Mb的STT-MRAM的最快寫入速度。
