磁阻存储器(简称MRAM)作为一种新型的非易失性存储技术,因其高速、高耐久和低功耗等优势,在存储器领域引起广泛关注。
MRAM以磁隧道结(MTJ)作为基本存储单元,通过改变自由层的磁化方向来表示二进制信息。写入过程即为改变磁化方向的过程。不同写入方式实现磁化方向翻转的原理和实现方法不同,因而带来性能上的差异。
磁阻存储器的主要写入方式类型
1. 自旋转移力矩写入(STT-MRAM)
原理:利用自旋电子学中的自旋转移力矩效应,通过向MTJ中注入带有自旋极化的电流,使自由层磁化方向发生翻转。
特点:
写入电流直接作用于存储单元,写入速度快(纳秒级)。
能耗相对较低,适合高密度集成。
写入过程无需外加磁场,降低复杂性。
应用:目前STT-MRAM是主流商业化MRAM写入技术,应用于缓存存储器、嵌入式存储等领域。
2. 自旋轨道扭矩写入(SOT-MRAM)
原理:利用具有强自旋轨道耦合的重金属层,在施加电流时产生自旋轨道扭矩,进而改变邻近磁层的磁化方向。
特点:
写入和读出路径分离,减少读写干扰。
写入速度更快,能耗更低。
结构稍复杂,制造工艺要求较高。
应用:适用于高性能计算和大容量存储,作为STT-MRAM的升级方案正在研究中。
3. 磁场写入方式(Field-Induced MRAM,FIMRAM)
原理:通过外加磁场改变MTJ中自由层的磁化方向,实现写入。
特点:
技术成熟,曾为早期MRAM主流写入方法。
需设有写线产生磁场,芯片布局复杂,写功耗高。
写入速度较慢,且磁场的选择性较差。
应用:多存在于早期产品和低速应用领域,目前逐渐被STT和SOT替代。
4. 热辅助磁化反转写入(Thermally Assisted Switching,TAS)
原理:通过短暂加热存储单元至居里点以下温度,降低磁化能垒,然后施加小电流写入。
特点:
写入电流较低,能耗得到降低。
结构复杂,需要额外的加热装置。
写入速度中等,成本较高。
应用:高稳定性需求场景以及高密度存储研究方向。
5. 电压控制磁各向异性能写入(VC-MRAM)
原理:通过施加电压改变磁性材料的磁各向异性能量,诱导磁化方向改变。
特点:
极低功耗写入方式,有望极大降低能量消耗。
技术仍处于研究阶段,存在稳定性和制造难题。
写入速度有待提升。
应用:未来低功耗存储器的潜力方向。