MRAM

　　MRAM簡介

　　隨著材料學(xué)的不斷進(jìn)步, 一種新的磁阻內(nèi)存(MRAM)正在吸引人們的目光。盡管還只是在實(shí)驗(yàn)室存在,但是這種高速內(nèi)存技術(shù)已經(jīng)被視為DRAM內(nèi)存的接班人，將會(huì)把“等待”這個(gè)詞徹底從電腦用戶的詞典中去掉。

　　DRAM的原理

　　你是否很久以來都認(rèn)為開機(jī)之后看著Windows進(jìn)度條一次次滾過，爾后登錄、打開桌面這樣的過程是理所當(dāng)然？

　　之所以每次開機(jī)時(shí)操作系統(tǒng)都需要重新做一遍內(nèi)存初始化的操作，是因?yàn)楝F(xiàn)在普遍使用的內(nèi)存都采用的是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取技術(shù)(DRAM)的內(nèi)存，像SDRAM、DDR和DDR II都屬于這種內(nèi)存。使用了DRAM技術(shù)的內(nèi)存的一個(gè)重要特點(diǎn)就是它們屬于揮發(fā)性內(nèi)存(volatile memory)，也就是說一旦斷電，它里面的數(shù)據(jù)就會(huì)消失。換句話說，DRAM內(nèi)存里面的數(shù)據(jù)之所以能夠存在，實(shí)際上是依靠不斷供電來刷新才得以保持的。

　　所以，操作系統(tǒng)在每次開機(jī)的時(shí)刻，總需要把一系列系統(tǒng)本身要使用的數(shù)據(jù)再次寫入內(nèi)存，這就是開機(jī)等待時(shí)間里操作系統(tǒng)完成的工作。對于DRAM內(nèi)存來說，如果要免除這個(gè)過程，供內(nèi)存刷新的電力是不能斷的。所謂的休眠(sleep)，實(shí)際上計(jì)算機(jī)還在繼續(xù)耗電，只不過是比正常運(yùn)行時(shí)少一些罷了。

　　然而，東芝集團(tuán)近日在美國佛羅里達(dá)州的坦帕市(Tampa)卻向公眾展示了一種新型內(nèi)存——磁阻內(nèi)存(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)，它的出現(xiàn)將使得這種情況成為過去。

　　磁阻內(nèi)存和DRAM內(nèi)存采用了完全不同的原理。DRAM內(nèi)存用以表示"0"和"1"的方式是判斷電容器中的電量多少來進(jìn)行的，它不僅需要保持通電，還需要周期性地給電容充電才能保證內(nèi)容不丟。而磁阻內(nèi)存的存儲(chǔ)原理則完全不使用電容，它采用兩塊納米級鐵磁體，在界面上用一個(gè)非磁金屬層或絕緣層來夾持一個(gè)金屬導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。通過改變兩塊鐵磁體的方向，下面的導(dǎo)體的磁致電阻(magnetoresistance)就會(huì)發(fā)生變化。電阻一旦變大，通過它的電流就會(huì)變小，反之亦然。

　　因此，只需用一個(gè)三極管來判斷加電時(shí)的電流數(shù)值就能夠判斷鐵磁體磁場方向的兩種不同狀態(tài)來區(qū)分"0"和"1"了。由于鐵磁體的磁性幾乎是永遠(yuǎn)不消失的，因此磁阻內(nèi)存幾乎可以無限次地重寫。而鐵磁體的磁性也不會(huì)由于掉電而消失，所以它并不像一般的內(nèi)存一樣具有揮發(fā)性，而是能夠在掉電以后繼續(xù)保持其內(nèi)容的。

　　磁阻內(nèi)存的前世今生

　　磁阻內(nèi)存的概念幾乎是和磁盤記錄技術(shù)同時(shí)被提出來的。但是眾所周知，內(nèi)存讀寫的速度需要達(dá)到磁盤讀寫的速度的100萬倍，所以不能直接使用磁盤記錄技術(shù)來生產(chǎn)內(nèi)存。磁阻內(nèi)存的設(shè)計(jì)看起來并不復(fù)雜，但是對材料的要求比較高。

　　磁致電阻現(xiàn)象雖然150年前就由英國科學(xué)家威廉·湯姆森(Williams Thomson)發(fā)現(xiàn)，但是對于一般的材料而言，它是比較微弱的一種效應(yīng)。也就是說，由于磁場變化帶來的電阻變化并不顯著，在電阻變化小于40%的時(shí)候，用三極管很難判斷出來本來就很微小的電流變化。

　　不過，最近的材料和工藝的進(jìn)步使得該技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，1995年摩托羅拉公司(后來芯片部門獨(dú)立成為飛思卡爾半導(dǎo)體)演示了第一個(gè)MRAM芯片，并生產(chǎn)出了1MB的芯片原型。

　　2007年，磁記錄產(chǎn)業(yè)巨頭IBM公司和TDK公司合作開發(fā)新一代MRAM，使用了一種稱為自旋扭矩轉(zhuǎn)換(spin-torque-transfer , STT)的新型技術(shù)，利用放大了的隧道效應(yīng)(tunnel effect)，使得磁致電阻的變化達(dá)到了1倍左右。而此次東芝展出的芯片也正是利用了STT技術(shù)，只是進(jìn)一步地降低了芯片面積，在一枚郵票見方的芯片上做出了1GB內(nèi)存，這也使得世界看到了磁阻內(nèi)存的威力——它的記錄密度是DRAM的成百上千倍，速度卻所有現(xiàn)有的內(nèi)存技術(shù)都要快。大密度、快訪問、極省電、可復(fù)用和不易失是磁阻內(nèi)存的五大優(yōu)點(diǎn)，這使它在各個(gè)方面都大大超過了現(xiàn)有的甚至正在研發(fā)的存儲(chǔ)技術(shù)——閃存太慢、SRAM和DRAM易揮發(fā)、鐵電存儲(chǔ)可重寫次數(shù)有限、晶相存儲(chǔ)不易控制溫度……MRAM可以說是集各個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)于一身的高質(zhì)量產(chǎn)品。

　　目前，MRAM已經(jīng)在通信、軍事、數(shù)碼產(chǎn)品上有了一定的應(yīng)用。2008年，日本的SpriteSat衛(wèi)星就宣布使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MRAM替換其所有的閃存元件。預(yù)計(jì)在今后的一、兩年里，它就能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，我們在打開計(jì)算機(jī)時(shí)，也就不再需要等待了。