解析新型存储介质MRAM

我想各位肯定也有过类似经历：辛辛苦苦编辑的文档，由于没有及时保存，被突如其来的断电（熊孩子关机、跳闸、停电等），弄得你的工作付诸东流。

为什么数据没有保存，掉电就丢失了呢？因为我们编辑文档等操作，都是在内存中进行的。内存是挥发性介质，掉电后数据就丢失。而硬盘是非挥发性介质，数据一旦保存，即使遇到异常掉电情况，上电后数据还在。

内存（Memory）和硬盘（Storage），作为存储介质，由于不同的特性，它们之间的界限还是很明显的。内存由于其访问速度快的特点，用以存放程序运行代码和数据；硬盘（HDD或者SSD）由于其非挥发性特点，用以长久存放用户文件数据。有没有一种这样的存储介质，既具有内存速度快的特点，还具有硬盘非挥发性的特点？

有！今天我要介绍的MRAM就是这样一种新型存储介质。

什么是MRAM

何为MRAM? 百度百科是这样说的：

“MRAM(Magnetic Random Access Memory) 是一种非易失性(Non-Volatile)的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。”

划重点：

MRAM是非挥发性介质；

MRAM是磁性随机存储介质；

MRAM具有RAM的读写速度；

MRAM可接近无限次写入。

MRAM特点

我们来看看MRAM有哪些特性。

首先看看MRAM有多快。

从上图可以看出，MRAM（Spin Torque MRAM）的读写速度跟DRAM差不多。3D-Xpoint、PCM等新型存储介质，在写速度方面跟MRAM相差二三个数量级。所有新型存储介质中，MRAM是唯一一个真正做到和DRAM一个级别访问速度的介质。

从上图我们还可以看到，MRAM非常耐写，1后面跟了很多很多0，可以认为是长生不老。

除此之外，MRAM还具有很好的数据保持性和宽的工作温度范围。

总结一下MRAM的特点：

基于闪存的SSD，由于每个block寿命有限，因此SSD固件需要做磨损均衡（wear leveling）算法。MRAM由于长生不老的特点，固件就无需实现wear leveling了。

闪存不能覆盖写（写之前需擦除block），因此SSD固件需要做垃圾回收。MRAM可以原地更新，因此不存在垃圾回收之说。

MRAM数据存储原理

我们知道（不知道的参看《闪存基础》），闪存数据存储在浮栅晶体管，通过往浮栅极注入电子的多少来表示逻辑“0”和“1”。

那么，MRAM存储原理是什么呢？

MRAM的存储单元是MTJ(“茅台酒”，Magnetic Tunnel Junction，磁性隧道结）+ 一个晶体管：

MTJ由三层组成：

最下面是自旋方向固定的一层（可以认为磁性方向固定），中间是隧穿层，最上面自由层的自旋方向可以发生变化，向左或者向右。当最上层自旋方向与最下层自旋方向一致时，MTJ具有低电阻；当最上层自旋方向与最下层自旋方向相反时，MTJ具有高电阻。因此，MRAM通过判断MTJ是低电阻还是高电阻，来感知“1”（低阻态）或者“0”（高阻态）。

写入数据的过程如下图，相互垂直的一系列电流相当于经纬线，通过严格控制电流，可以精准地在二者相交的地方产生合适的磁场，从而改变最上面一层自旋方向。

当最上层的（Free Layer）一旦自旋方向确定后，它不会因为掉电而发生自旋方向改变，因此，MRAM是非挥发性存储介质。

上面描述的其实是第一代MRAM，即Toggle MRAM。

Toggle MRAM可以有效抵抗高辐射以及高温环境，因此可以用于军事及航天领域。

但Toggle MRAM的缺点是：

功耗相对高；

集成度做不上去（尺寸越小，写干扰大）。

第二代MRAM叫做STT-MRAM, Spin-Transfer Torque MRAM, 其存储单元也是MTJ+一个晶体管。不过，MTJ的自旋方向是上下，而不是左右；另外，它写入方式与Toggle MRAM不同，STT-MRAM使用自旋极化的电流来控制最上层的自旋方向。

与Toggle MRAM相比，STT-MRAM具有以下特点：

速度更快；

更加节能；

集成度更高。

MRAM应用场景

MRAM兼有DRAM的访问速度和硬盘的非挥发性，它把内存和硬盘合二为一。

因此，它可以应用在任何需要快速访问（低延迟和高性能）但又希望掉电后数据不丢失的场合。

回到开头发生在我身上的那个场景，如果我电脑配了MRAM，那么即使熊孩子按了我电脑电源，开机后我未保存的文档还是在那的。

MRAM发展现状

家有熊孩子的朋友可能要问，这么牛逼的东西，哪里有得卖？

MRAM不是只存在实验室，Everspin公司已经实现量产，包括Toggle MRAM和STT-MRAM产品。

下面是MRAM和Everspin公司的发展历程。

另外，GlobalFoundries和三星也宣布了MRAM的产品计划。三星预计今年（2018年）年底就会出eMRAM（STT-MRAM）产品。

除此之外，还有其他一些公司也在开发MRAM芯片，其中就有我们熟知的IBM和Toshiba，以及不那么熟悉的Avalanche Technologies, Spin Transfer Technologies，Crocus等。

我没有MRAM的价格数据。但很显然，作为一种新型存储介质，刚上市价格肯定不便宜。