長久以來，我們這些缺乏耐性的人，一直期待著所有消費電子產品的開機時間能盡量縮短，愈快愈好。剛剛才打入消費市場的固態(tài)硬碟（SSD），已經能大幅縮減使用者等待開機或將機器從睡眠中喚醒的時間，事實上， SSD 已經能實現極短時間的開機，或是瞬間喚醒機器。

目前， SSD 仍然以非揮發(fā)性記憶體（NVM）為主，主要採用快閃記憶體。儘管與傳統(tǒng)硬碟相比，快閃記憶體的速度提高了好幾個數量級，但今天在使用 SSD 開機時還需要等待一會兒。這也暴露出一個事實──在與ROM或DRAM相比時，快閃記憶體的讀取速度顯然遜色許多。

2000年中，非揮發(fā)性記憶體領域出現了一匹黑馬──磁阻式隨機存取記憶體（MRAM），它強調高可靠性、趨近無限的使用壽命、低功耗、更廣的工作溫度範圍，而且更重要的是，它的讀取時間快到能媲美 DRAM 。這些特性讓 MRAM 成為眾所矚目的焦點，吸引數家公司投入開發(fā)，希望製造出在密度和速度方面都能與其他主流非揮發(fā)性記憶體競爭的嶄新元件。 Everspin 正是其中一家企業(yè)，該公司已經推出商用化的 MRAM 產品。

磁穿隧結（Magnetic Tunnel Junction， MTJ）是在MRAM儲存資訊的關鍵因素。傳統(tǒng)MTJ是由兩個被薄型穿隧介電質隔開的磁性層所組成。資訊會在磁性層上依照磁化向量的方向儲存。位在一個磁化層上的磁性向量是磁性固定（magnetically fixed）或被固定（pinned）的，此時其他層則是磁性自由，可在相同和相反方向之間進行開關，分別稱之為「平行」或「反平行」狀態(tài)。當在固定和自由層之間施加小的偏置電壓時，穿隧電流便會流經位于中間的薄介電層。而其磁性記憶體單元會透過響應平行和反平行狀態(tài)，呈現出兩種不同的阻值。因此，藉由檢測電阻變化， MRAM 元件便能提供儲存在磁性記憶體單元中的資訊。

圖1：Everspin MRAM封裝的X光影像。

MTJ結構被整合到另一個典型CMOS積體電路的互連部份。在寫入過程中，選定的MTJ會置于所選擇的寫入字線和選定的位元線之間。當電流經過所選的字線和位元寫入線，便會在這些線的周圍建立磁場。而在選定MTJ的上磁場向量總和必須足夠切換狀態(tài)。不過，沿著選定的字線或位元寫入線產生的磁場也必須足夠小，以確保不會切換到俗稱的「半選」（half selected ） MTJ狀態(tài)。所謂半選狀態(tài)僅作用在所選擇的字線與位元寫入線周圍。

2006年， UBM TechInsights 曾拆解過飛思卡爾的 MRAM 元件，該元件具有一個尺寸約26mm2的晶粒，密度為4Mb。與其他的 NVM 技術相比，其晶粒效率似乎較低，這主要是由于其架構設計，需要相當龐大的開銷所致。而今，由飛思卡爾成立的 Everspin Technologies 推出了16Mb的 MRAM 元件，其晶粒尺寸僅為58mm2──尺寸僅提高二倍，但效能卻提升四倍。通常，增加密度的主要方法之一，是微縮製程。

然而，在推出16Mb的封裝元件后，我們可以看到，該公司并不是因為採用先進製程技術而提升密度；其16Mb和4Mb的元件都共用主流的微影製程，而且單元尺寸相同。看起來，過小的製程可能會導致半選問題。 Everspin 公司採取的方法是重新設計架構，拿掉了一個背部的互連層，用改良過的電路來最小化讀、寫和擦除資料所需的開銷。

圖2：Everspin的MRAM晶粒圖。

Everspin聲稱該公司2011年的MRAM出貨量成長了300%，獲得250個新的設計訂單（design win），其中包括戴爾、LSI和BMW等。而用于下一代MRAM的技術──自旋力矩（Spin-torque），則可望加快讀/寫速度并提高密度。這是否有可能在未來讓MRAM真的能取代快閃記憶體，成為SSD的關鍵記憶體，再縮短開機時間？我們很快就會知道答案。SSD市場正在快速成長，因此，這個產業(yè)勢必需要更高速的記憶體。