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大话磁性随机存储器(MRAM)

磁性随机存储器(magnetic random access memory， MRAM) 有可能取代DRAM而成为下一代寄存器。MRAM 的优点可参照我的上一篇文章。但MRAM并不满足这些，它野心勃勃的想要替代硬盘和CPU，以实现芯片系统 (system on chip)。也就是说用MRAM技术在一块芯片上实现包括运算，存储的所有功能。这相当与把现在的主机缩小到一块芯片。所以MRAM近来引起了越来越广泛的兴趣。这也是本文的初衷，想和大家分享MRAM技术的优缺点和前景。

MRAM 的概念在70年代(可能更早)就提出了。当时实现MRAM的手段五花八门，其基本思想是利用磁化方向的不同来得到“1” 和“0”。这一点和硬盘一样，但MRAM是用阵列来存储数据，写和读是用WORD LINE 和 BIT LINE (相当于X， Y 坐标) 来确定要进行操作的存储点。和硬盘相比，理论上MRAM 会更快，寿命更长久。INTEL 利用过磁泡， HONEYWELL 想采用各向异性磁阻(AMR)， 等等。基於材料和制造的局限，早期的MRAM并不理想，象低信号，低密度，高噪音。由於看不到前景，很快这些研发都被放弃了。直到上个世纪80年代，一个法国人的出现。他的贡献改写了信息技术的历史。

如果我没记错的话这个法国人应该叫 A FERT， 他发现了巨磁阻现象。具体表现是在多层膜结构 [非磁性/磁性]n， 如果磁性膜的磁化方向一致则电阻为低。 反之，如果磁性膜的磁化方向不一致则电阻为高。这样，就在磁性和电性之间搭起了一座桥， 也就是说， 磁性可由电性来表达。这个贡献是巨大的，现在所有的硬盘的读磁头(READING HEAD)都是基於这个发现或发明( [非磁性/磁性]n 的多层膜结构)。如果不采用这个技术，动则上百G 的硬盘纯粹是天方夜谭。另外，很多传感器也都是利用这个原理而且在民用，军事上得到了广泛的应用。可以说这个法国人改变了一些我们的生活。业内共识他很有可能得诺贝尔奖。上次有幸听到了老先生的发言，思路忆旧很清晰，只是发言太久超过了预定时间，被大会主席请下了台，不过台下的掌声经久不息。扯远了， 呵呵。

书回正传，所以这个现象马上被用到MRAM上。需要说明的是，用在MRAM上的多层膜结构是磁性隧道结(MTJ)。这一步走的最早是HONEYWELL的CTO，J DOGHTON。他后来从HONEYWELL退休，出来自己成立了一个公司 NVE (NON-VOLATILE ELECTRONICS)。 NVE 现在持有MRAM的多项专利， 象ONE MEMORY-ONE TRANSISTOR，是眼下最流行的MRAM设计。它得到了巨额的资助并于2003年在纳斯达克上市，公司里的元老个个成为百万富翁。这时，各大公司才纷纷醒悟过来，匆忙上马MRAM项目。一时间，MRAM顿时显得热火朝天，大有炸平庐山之势。不过随着研究的深入，人们发现了MTJ 的信号不高，最好只能到达70%，这样会造成信噪比(SNR)太低。另外更严重的是半场选择问题。在MRAM阵列中，一个存储单元的操作是通过WORD LINE 和 BIT LINE (X， Y的座标)来实现的。通过加电流会在LINE 周围产生翻转磁场，从而改变存储单元的状态。每条LINE 上都有很多存储单元，但只有在WORD LINE 和 BIT LINE的交叉点写入能量才足够大。问题是被操作的存储单元周围的其他存储单元也有可能被改变状态， 如果WORD LINE 和 BIT LINE的电流不适当的话。这样，这个阶段的MRAM操作窗口特别小。即使很小的电流扰动也会造成错误。因此，MRAM 重新步入了低迷期。

好像冥冥中有神帮助， 在2004初一个俄裔的MOTORALA 工程师公布他提出的新的MRAM结构和写入方法(TOGGLE MRAM)，人们才重新燃起了对MRAM的希望。这个天才工程师的主意非常巧妙，SONY 和 MOTORALA 马上拿出了第一手的实验数据. 实验证明TOGGLE MRAM具有相当大的操作窗口。另一个重大突破是2004年末IBM 和日本一家公司同时宣布拿到了300%的MTJ信号。业界在2004年是非常振奋的， 一系列的突破暗示着MRAM的曙光就在眼前。这个时候，转来一个不幸的消息，那个俄裔的MOTORALA 工程师去世了。他才30多岁，真是天妒英才。也有可能他是上帝派来帮助MRAM的， 完成了任务就回去了。现在TOGGLE MRAM面临的问题是写入电流过高，各方都在做大量的工作来解决这个问题。其中一个潜在的方法就是磁针传导(SPIN TRANSFER), 这是后话。不管采用何种措施， MRAM最终面临它的物理极限--- 热扰动。这是硬盘同样面临的问题-----记录密度和稳定性的冲突。为什么呢？

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