MRAM

　　MRAM简介

　　随着材料学的不断进步, 一种新的磁阻内存(MRAM)正在吸引人们的目光。尽管还只是在实验室存在,但是这种高速内存技术已经被视为DRAM内存的接班人，将会把“等待”这个词彻底从电脑用户的词典中去掉。

　　DRAM的原理

　　你是否很久以来都认为开机之后看着Windows进度条一次次滚过，尔后登录、打开桌面这样的过程是理所当然？

　　之所以每次开机时操作系统都需要重新做一遍内存初始化的操作，是因为现在普遍使用的内存都采用的是动态随机存取技术(DRAM)的内存，像SDRAM、DDR和DDR II都属于这种内存。使用了DRAM技术的内存的一个重要特点就是它们属于挥发性内存(volatile memory)，也就是说一旦断电，它里面的数据就会消失。换句话说，DRAM内存里面的数据之所以能够存在，实际上是依靠不断供电来刷新才得以保持的。

　　所以，操作系统在每次开机的时刻，总需要把一系列系统本身要使用的数据再次写入内存，这就是开机等待时间里操作系统完成的工作。对于DRAM内存来说，如果要免除这个过程，供内存刷新的电力是不能断的。所谓的休眠(sleep)，实际上计算机还在继续耗电，只不过是比正常运行时少一些罢了。

　　然而，东芝集团近日在美国佛罗里达州的坦帕市(Tampa)却向公众展示了一种新型内存——磁阻内存(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)，它的出现将使得这种情况成为过去。

　　磁阻内存和DRAM内存采用了完全不同的原理。DRAM内存用以表示"0"和"1"的方式是判断电容器中的电量多少来进行的，它不仅需要保持通电，还需要周期性地给电容充电才能保证内容不丢。而磁阻内存的存储原理则完全不使用电容，它采用两块纳米级铁磁体，在界面上用一个非磁金属层或绝缘层来夹持一个金属导体的结构。通过改变两块铁磁体的方向，下面的导体的磁致电阻(magnetoresistance)就会发生变化。电阻一旦变大，通过它的电流就会变小，反之亦然。

　　因此，只需用一个三极管来判断加电时的电流数值就能够判断铁磁体磁场方向的两种不同状态来区分"0"和"1"了。由于铁磁体的磁性几乎是永远不消失的，因此磁阻内存几乎可以无限次地重写。而铁磁体的磁性也不会由于掉电而消失，所以它并不像一般的内存一样具有挥发性，而是能够在掉电以后继续保持其内容的。

　　磁阻内存的前世今生

　　磁阻内存的概念几乎是和磁盘记录技术同时被提出来的。但是众所周知，内存读写的速度需要达到磁盘读写的速度的100万倍，所以不能直接使用磁盘记录技术来生产内存。磁阻内存的设计看起来并不复杂，但是对材料的要求比较高。

　　磁致电阻现象虽然150年前就由英国科学家威廉·汤姆森(Williams Thomson)发现，但是对于一般的材料而言，它是比较微弱的一种效应。也就是说，由于磁场变化带来的电阻变化并不显著，在电阻变化小于40%的时候，用三极管很难判断出来本来就很微小的电流变化。

　　不过，最近的材料和工艺的进步使得该技术有了突破性的进展，1995年摩托罗拉公司(后来芯片部门独立成为飞思卡尔半导体)演示了第一个MRAM芯片，并生产出了1MB的芯片原型。

　　2007年，磁记录产业巨头IBM公司和TDK公司合作开发新一代MRAM，使用了一种称为自旋扭矩转换(spin-torque-transfer , STT)的新型技术，利用放大了的隧道效应(tunnel effect)，使得磁致电阻的变化达到了1倍左右。而此次东芝展出的芯片也正是利用了STT技术，只是进一步地降低了芯片面积，在一枚邮票见方的芯片上做出了1GB内存，这也使得世界看到了磁阻内存的威力——它的记录密度是DRAM的成百上千倍，速度却所有现有的内存技术都要快。大密度、快访问、极省电、可复用和不易失是磁阻内存的五大优点，这使它在各个方面都大大超过了现有的甚至正在研发的存储技术——闪存太慢、SRAM和DRAM易挥发、铁电存储可重写次数有限、晶相存储不易控制温度……MRAM可以说是集各个技术的优点于一身的高质量产品。

　　目前，MRAM已经在通信、军事、数码产品上有了一定的应用。2008年，日本的SpriteSat卫星就宣布使用飞思卡尔半导体公司生产的MRAM替换其所有的闪存元件。预计在今后的一、两年里，它就能够实现量产，我们在打开计算机时，也就不再需要等待了。