下一代非易失性存储最强音，MRAM技术解析

目前CPU中使用的SRAM（静态随机存储器）虽然速度快，但是数据是易失性的，断电之后数据就没有了，非易失性存储RAM是未来的方向。在这一类别中现在有多种备选方案，比如MRAM（Magnetic

RandomAccessMemory，磁阻随机存取存储器）、PCM（PhaseChangeMemory相变存储）、ReRAM（Resistance

RandomAccessMemory，电阻式存储器）等，其中MRAM的研究最多，是下一代非易失性存储技术的最强音。

在此之前已经有过多篇有关MRAM技术的报道，不过日本PCWatch网站的专栏作者福田昭综合分析了MRAM技术的特点，也让我们一起来看下这个次世代技术到底有什么优势成为多家大腕的新宠。

简单看下存储器的分类，外部记忆体就是常见的HDD、SSD这一类了，主记忆体就是内存了，CPU及L1缓存部分的主要是SRAM，要求是速度极快，延迟低，与CPU频率同步运行，当然容量就比较小，L2缓存及LLC部分的频率要求不如L1那么高，相应地对容量要求也提高了些。

目前研究MRAM技术的主要有三大势力：财大气粗的Intel的研究主要针对PC领域，用在LLC电路做缓存使用，高通及TSMC组队研究适合便携设备的，而IBM、希捷研究的MRAM则针对HDD缓存加速之类的。

此外，PCWatch没提到的其实还有三星、东芝及Hynix及飞思卡尔等，他们的实力也不可小觑。

MRAM特点

MRAM的特点概括起来就是电力消耗更低，核心面积更低，容量更大。

◆MRAM优势分析

MRAM的核心面积只有SRAM的1/2-1/4，也就是说同面积下缓存容量是SRAM的2-4倍，可以大大降低成本。

CPU的性能要想进一步提高，缓存容量也必须跟着提高才能容纳更多的数据和指令，而缓存占用的核心面积往往比核心更大（看看Intel

Core处理器的架构图就知道了，NVIDIA也曾攻击Intel说他们的芯片其实在卖没技术含量的缓存而已）。

在这方面，IBM和希捷在2009年的HPCA（高性能计算机体系结构国际研讨会）上公布过有关L2缓存使用MRAM的研究成果，这里摘录如下：

首先设定一个模型，使用65nmCOMS工艺制造SRAM和MRAM，同样的面积下后者的容量可达前者四倍，如果转换成存储cell，那么MRAM的cell数大约是40，而SRAM则是146。

定义SRAM缓存为128KB大小，那么MRAM在同样的配置下则是512KB，而且3.30mm2的面积也要比SRAM3.62mm2略小，16-way配置下SRAM容量只有2MB，而MRAM则有8MB。

◆MRAM的不足：写入性能下降

MRAM技术也不是没有死穴，写入性能下降就是一例。模拟结果表明，MRAM的写入速度下降了12-19%，整体的IPC指令性能下降了3-7.5%左右。

SRAM的延迟约为2.264ns，而MRAM则有11.024ns，是前者的5倍多。

写入数据时功耗增加也是MRAM的不足之一，SRAM写入过程只消耗0.797nJ（纳焦），而MRAM需要4.997nJ，是前者的6倍多。不过待机时就不一样了，2MB

SRAM需要2.089W功耗，而8MBMRAM只需要0.255W，压倒性的胜利。

◆第二代MRAM技术改进

第一代MRAM技术表现并不尽如人意，不过Intel和高通都相信改进型的第二代技术可以降低处理器功耗。

MRAM主要应用GMR巨磁阻尼原理，第一代MRAM技术利用的是外部、专用的“路由”来产生磁场来进行数据读写，这种方式的缺点就是要改写的MRAM区域也越多，产生磁场的电流就需要越大。

第二代MRAM技术改进了磁场磁化方式，依赖电子自旋而非外部磁场，读写数据需要的电流比较小，存储单元cell面积也减小了。为了区分这两代MRAM，第二代通常也叫做STTRAM、Spin

Mmemory（自旋存储器）。

自从发表过相关论文和研究报告之后，TSMC和高通在第二代MRAM上进展很快，2009年在IEDF发布过1Mbit存储器的设计制造，并准备生产32Mbit容量，2012年6月的VLSI

Symiposium会议、2012SpintronicsWorkshoponLSI会议都公开了最新的研发进程。

高通主要是看到了MRAM在SOC芯片上的低功耗优势，可以用在手机、POS机等设备商，甚至可以取代外部DRAM。

高通和TSMC联合开发的第二代STT-MRAM技术

◆选择MRAM的理由

尽管MRAM有这样那样的优点，但是Intel表示，虽然有了这么多的论文和研究成果，但是目前并没有MRAM实际产品制造出来。

另一个有趣的问题就是MRAM保存数据的稳定性，热稳定性毫无疑问会影响数据的保留期限，温度越高就越不稳定，这就需要平衡数据保存的期限。

一般的半导体数据保存期限是10年，为此需要1bit或者2bit的ECC校验单元，而SRAM缓存上已经集成了ECC功能，从这点上来看没有增加成本，是一种合适的选择。

Intel指出做缓存的情况下，半导体保存数据的期限远远没必要达到10年这么高，可以适当降低热稳定性要求，这一点是非常重要的，甚至一个月的时间都太长了，能保持数据2周就可以了。

考虑到MRAM写入速度较低的缺点，降低热稳定性要求其实是好事一件，因为它可能改变MRAM的存储单元，带来提高数据写入速度的可能，使得MRAM更加适合缓存的要求。