MRAM离大规模应用还有多久?

MRAM：从实验室到钱包，我们还要等多久？

磁性随机存取存储器（MRAM），这个名字听起来就带着科技的未来感。它不像我们熟悉的DRAM那样需要不断刷新，也不像NAND闪存那样有擦写寿命的限制，更能在断电后依然保存数据。理论上，MRAM拥有速度快、功耗低、寿命长、非易失性等一系列闪亮的优点，简直是“理想存储器”的候选人。那么，这个 promising 的技术，离我们真正能在手机、电脑、服务器上大规模普及，还有多远的路要走？

要回答这个问题，我们得拆解一下MRAM目前面临的挑战以及它的发展轨迹。

MRAM的优势，为何如此吸引人？

在深入探讨距离之前，我们先回顾一下MRAM的魅力所在，理解它为何如此令人期待：

速度： MRAM的读写速度可以接近甚至超越DRAM，这对于需要快速响应的应用至关重要，比如CPU缓存、高性能计算。
非易失性： 这是MRAM最独特的优势之一。断电后数据不会丢失，这意味着设备开机速度极快，并且可以实现真正的“即时”关机和唤醒，这在物联网设备、嵌入式系统中有巨大的潜力。
功耗低： 相较于DRAM需要周期性刷新来维持数据，MRAM在读取数据时功耗极低，尤其是在待机状态下，几乎不耗电。这对于电池供电的移动设备和低功耗嵌入式应用来说是巨大的福音。
寿命长： MRAM的写入过程主要是通过改变磁性材料的磁化方向，这种物理过程的损耗非常小，理论上可以实现无限次的擦写，远超NAND闪存的寿命。
高可靠性： 磁性材料对辐射的敏感度较低，这使得MRAM在一些恶劣环境下（如太空、军事领域）具有更好的可靠性。

挑战依然存在，阻碍大规模应用的“绊脚石”

尽管MRAM的优点如此突出，但要把一个技术从实验室推向成熟的大规模商业应用，从来都不是一蹴而就的事情。MRAM在普及的道路上，也面临着一些亟待解决的难题：

1. 密度和成本： 这是目前阻碍MRAM大规模普及最核心的问题。传统的MRAM技术，如STTMRAM（自旋传输扭矩MRAM），通过改变磁隧道结（MTJ）中隧穿层的磁化方向来存储数据。随着存储密度的提升，MTJ的尺寸需要不断缩小。然而，尺寸的缩小带来了工艺上的巨大挑战，使得制造复杂性增加，良品率下降，从而推高了MRAM的制造成本。相比于经过数十年优化、成本已经非常低廉的DRAM和NAND闪存，MRAM的单位容量成本仍然高出不少。这意味着，除非在性能上有不可替代的优势，否则消费者很难为其买单。
想象一下： 你用同样的价格，可以买到1TB的NAND闪存SSD，而MRAM硬盘可能只有128GB。这种巨大的价格差距，限制了它在主流消费电子市场的渗透。

2. 写入速度和功耗的权衡（特别是高密度MRAM）： 虽然MRAM的读取速度很快，但在写入数据时，尤其是当存储密度提升时，需要更大的电流来翻转磁化方向。这会增加写入功耗，甚至可能导致某些场景下，其写入功耗并不比DRAM有压倒性优势。而且，为了提高密度，存储单元的尺寸会缩小，这又对写入的可靠性和速度提出了更高的要求。如何在高密度下同时保证快速、低功耗的写入，是持续的技术攻关点。

3. 抗干扰能力和可靠性（特定技术）： 早期的一些MRAM技术，如SOTMRAM（自旋轨道扭矩MRAM），虽然在写入速度和功耗上可能有所突破，但其抗干扰能力和长期的可靠性仍然需要时间来验证和优化。随着存储单元的尺寸进一步缩小，对外部电磁干扰的敏感度可能会增加，这会影响数据的稳定性。

4. 制程兼容性和生态系统建设： MRAM的制造工艺与传统的CMOS工艺有很大的区别，将MRAM单元集成到现有的半导体制造流程中，需要晶圆厂进行大量的设备更新和工艺调整。同时，整个芯片设计、制造、封装以及应用软件的生态系统都需要围绕MRAM进行适配和优化。这需要时间和大量的投资。

MRAM的发展路径和未来展望

尽管存在挑战，但MRAM的发展从未停止，并且已经开始在某些细分市场崭露头角：

早期的MRAM（如FRAM的替代）： 最早的MRAM产品，主要是作为铁电RAM（FRAM）的替代品，用于一些对功耗和速度有要求的嵌入式应用，例如物联网设备的配置存储、嵌入式控制器等。这些应用对存储容量的需求不大，成本敏感度相对较低，MRAM的优势得以发挥。

STTMRAM的崛起与主流化： 目前，STTMRAM是MRAM技术的主流，其性能和密度都在不断提升。许多半导体公司（如英特尔、三星、兆易创新等）都在积极研发和推出STTMRAM产品。
CPU缓存： STTMRAM最成功的应用之一是作为CPU的SRAM（静态随机存取存储器）缓存。它能够提供比SRAM更低的功耗和更好的数据保持能力，同时拥有接近SRAM的读写速度。一些高端CPU已经开始集成MRAM作为其最后一级缓存。
独立存储器： 随着密度的提升，MRAM开始以独立存储器的形式出现，容量也逐渐增大，可以用于NOR Flash的替代（如Boot ROM）、嵌入式系统的Data Flash等。

SOTMRAM和下一代MRAM技术： 为了克服STTMRAM在写入速度和功耗上的瓶颈，SOTMRAM等下一代技术正在研发中。SOTMRAM利用自旋轨道扭矩来翻转磁化方向，理论上可以实现更快的写入速度和更低的写入功耗。如果能够解决其可靠性和抗干扰性问题，将进一步拓展MRAM的应用领域。

与DRAM和NAND的混合存储： 未来的趋势可能是MRAM与DRAM和NAND形成混合存储解决方案。例如，将少量大容量的MRAM作为高速缓存层，与大容量的NAND闪存结合，以兼顾速度、容量和成本。就像现在SSD中加入少量DRAM缓存一样。

那么，究竟还需要多久？

这是一个很难给出确切年限的问题，因为它取决于技术突破的速度、制造成本的下降程度以及市场需求的演变。但我们可以从几个层面来估计：

1. 在特定细分市场的广泛应用： 这一点已经基本实现。在对功耗、速度和非易失性有极高要求的嵌入式系统、工业控制、汽车电子等领域，MRAM已经开始逐步取代传统的存储器。

2. 作为CPU缓存的主流选择： 这个目标正在加速实现。随着工艺的进步，未来几年内，我们有理由相信更多的CPU会将MRAM集成到缓存层中，以提升整体性能和能效。

3. 在大容量独立存储器市场上与DRAM和NAND竞争： 这是最漫长的赛道。要在这个市场实现大规模应用，MRAM需要将单位容量的制造成本降低到接近甚至低于DRAM的水平。这需要材料科学、器件物理以及半导体制造工艺的重大突破。我个人认为，在未来510年内，我们可能会看到一些中等容量（几十GB到几百GB）的MRAM产品开始在某些领域（如高端固态硬盘的缓存、笔记本电脑的混合存储解决方案）出现，但要全面取代现有的DRAM和NAND闪存，还需要更长的时间，可能需要10年以上，甚至需要颠覆性的技术创新。

总结一下，MRAM离大规模应用已经不远，甚至在某些领域已经开始“落地开花”。然而，要像DRAM和NAND那样成为我们日常生活中随处可见的“标配”，尤其是在大容量存储领域，我们还需要耐心等待技术进一步成熟、成本进一步降低。这是一个循序渐进的过程，每一个环节的突破都可能加速它的到来。

我们正在见证一场存储技术的变革，MRAM无疑是这场变革中一颗冉冉升起的新星。它的未来充满潜力，让我们拭目以待。

[e]MRAM…换个视角回答一下，评论角度是从“MRAM技术前景、经济效益和生态”的角度；其中信息背景是本篇开始写作的2019年。

注：截了一段网媒评论的图，放在文末可参考。

其实 MRAM这种过渡技术，IP层很薄，从大厂的角度看不出有什么超级利润，需求也很离散，customer ramping会非常耗力，初期并不像是大厂争夺的赛道。当然除非Apple这种封闭生态的头部软硬件公司首先领头。目前Intel/Samsung等几家大厂都是拿半报废设备（折旧到极低残值的产线）投入生产，指导参考除了各家的实验室报告，还没有确定一个行业标准。事实上，eMRAM存在超过10年，如今从故纸堆里挖出来，什么动机呢；

• 若是去跟别人的MCU整合进SOC，就变成卖IP，卖IP能赚多少利润？
• 若是卖颗粒，在PCB上集成，有多大性价比呢？
• 若是封装成DIMM插上主板，那么只有X86市场，这就是Intel自怼PCM相变存储了（即所谓persisten memory，供应IDC的），而PCM也是集成DIMM的，原本就是用来蚕食DDR市场的；

泛泛而谈，存储结构革新也要看OS等关键应用的站台情况，生态建设目前非亚洲厂的强项。选择哪个OS厂商去改系统兼容MRAM，一并刷full stack呢，这是大问题，若不改full stack，它也就当成DRAM用，性能不但没有优势还会偏低。网上有一则野闻： 说是Intel要借助MRAM影响Android系的移动端市场…但MRAM是需要重写系统的。）

不过，MRAM也许会在端侧-->Edge侧承担起data exchange intensive的应用，但目前赛道还是窄的。此外，eMRAM的诱惑在于Memory Hierarchy, 其中File Hierarchy可以极度简化，OS也会轻很多；对于Device/IOT设备而言。节能和空间压缩的意义不言而喻。但当下MRAM竞争的首要是IP，特别是敏感的介质材料配方。

但是，不论是MRAM还是RRAM芯片，它们的特性都是超强性能，延迟堪比内存，而且是超长寿命及可靠性，写入次数都是上万次起的，耐高温，寿命长达10多年。但是截至本篇写作背景的2019年初，这些芯片的容量依旧都很低，通常是256Mb、512Mb，有些能上到1Gb左右，反正相比常规的RAM及NAND还差很远。尤其存储技术的迭代和应用，要看中长期的市场空间。

最后摘录一段新闻：“ Intel即将折旧的22FFL工艺不会用来生产先进处理器了，但它会在别的芯片上找到自己的位置，此前Intel宣布使用22FFL工艺生产了MRAM（磁阻RAM），现在VLSI 2019大会上，Intel又提到了22FFL工艺已经准备好生产RRAM（可变电阻RAM）”。设想一下Intel/Samsung外宣的eMRAM所使用产线的0折旧率吧，全是净现金流吧：），至少在2019年，纵然有介质IP配方，对大厂而言，还不值得投资和启动新产线。