MRAM

　　MRAM簡介

　　隨著材料學的不斷進步, 一種新的磁阻內(nèi)存(MRAM)正在吸引人們的目光。盡管還只是在實驗室存在,但是這種高速內(nèi)存技術已經(jīng)被視為DRAM內(nèi)存的接班人，將會把“等待”這個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為開機之后看著Windows進度條一次次滾過，爾后登錄、打開桌面這樣的過程是理所當然？

　　之所以每次開機時操作系統(tǒng)都需要重新做一遍內(nèi)存初始化的操作，是因為現(xiàn)在普遍使用的內(nèi)存都采用的是動態(tài)隨機存取技術(DRAM)的內(nèi)存，像SDRAM、DDR和DDR II都屬于這種內(nèi)存。使用了DRAM技術的內(nèi)存的一個重要特點就是它們屬于揮發(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)在每次開機的時刻，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，這就是開機等待時間里操作系統(tǒng)完成的工作。對于DRAM內(nèi)存來說，如果要免除這個過程，供內(nèi)存刷新的電力是不能斷的。所謂的休眠(sleep)，實際上計算機還在繼續(xù)耗電，只不過是比正常運行時少一些罷了。

　　然而，東芝集團近日在美國佛羅里達州的坦帕市(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，在界面上用一個非磁金屬層或絕緣層來夾持一個金屬導體的結構。通過改變兩塊鐵磁體的方向，下面的導體的磁致電阻(magnetoresistance)就會發(fā)生變化。電阻一旦變大，通過它的電流就會變小，反之亦然。

　　因此，只需用一個三極管來判斷加電時的電流數(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同時被提出來的。但是眾所周知，內(nèi)存讀寫的速度需要達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來生產(chǎn)內(nèi)存。磁阻內(nèi)存的設計看起來并不復雜，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。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步使得該技術有了突破性的進展，1995年摩托羅拉公司(后來芯片部門獨立成為飛思卡爾半導體)演示了第一個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換(spin-torque-transfer , STT)的新型技術，利用放大了的隧道效應(tunnel effect)，使得磁致電阻的變化達到了1倍左右。而此次東芝展出的芯片也正是利用了STT技術，只是進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)存技術都要快。大密度、快訪問、極省電、可復用和不易失是磁阻內(nèi)存的五大優(yōu)點，這使它在各個方面都大大超過了現(xiàn)有的甚至正在研發(fā)的存儲技術——閃存太慢、SRAM和DRAM易揮發(fā)、鐵電存儲可重寫次數(shù)有限、晶相存儲不易控制溫度……MRAM可以說是集各個技術的優(yōu)點于一身的高質(zhì)量產(chǎn)品。

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