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近年來(lái)，非易失性存儲(chǔ)器（NVM）技術(shù)正迎來(lái)快速發(fā)展。隨著人工智能、自動(dòng)駕駛、物聯(lián)網(wǎng)等新興應(yīng)用的興起，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)體系正面臨速度、能耗與穩(wěn)定性的多重挑戰(zhàn)。

為兼顧“快”“省”“穩(wěn)”，各類新型存儲(chǔ)器（如ReRAM、PCM、FeRAM、MRAM等）紛紛進(jìn)入研發(fā)與驗(yàn)證階段，試圖在“后DRAM時(shí)代”中脫穎而出。在這一背景下，磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）因兼具高速、低功耗與非易失性，被認(rèn)為是最具潛力的通用型存儲(chǔ)方案之一。

據(jù)報(bào)道，來(lái)自中國(guó)臺(tái)灣國(guó)立陽(yáng)明交通大學(xué)、臺(tái)積電及工業(yè)技術(shù)研究院等機(jī)構(gòu)的跨國(guó)研究團(tuán)隊(duì)，在MRAM技術(shù)上取得了重大突破。他們成功開(kāi)發(fā)出一種基于β相鎢材料的自旋軌道力矩磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SOT-MRAM），實(shí)現(xiàn)了令人矚目的性能指標(biāo)：僅需1納秒即可完成數(shù)據(jù)切換，數(shù)據(jù)保持時(shí)間超過(guò)10年，隧穿磁阻比高達(dá)146%。這項(xiàng)發(fā)表在《自然電子學(xué)》（Nature Electronics）期刊上的成果，為下一代高速、低功耗存儲(chǔ)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。

存儲(chǔ)技術(shù)的變革需求

當(dāng)前計(jì)算系統(tǒng)依賴由SRAM、DRAM和閃存構(gòu)成的存儲(chǔ)層級(jí)體系。然而，隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)突破10納米關(guān)口，這些基于電荷存儲(chǔ)的傳統(tǒng)技術(shù)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：可擴(kuò)展性受限、性能提升困難、讀寫干擾問(wèn)題加劇、可靠性下降。特別是在人工智能和邊緣計(jì)算快速發(fā)展的今天，對(duì)存儲(chǔ)器提出了更高要求——既要具備DRAM的高速響應(yīng)能力，又要擁有閃存的非易失性特征，同時(shí)還需大幅降低功耗。

在這一背景下，新興非易失性存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。除SOT-MRAM外，還包括自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（STT-MRAM）、相變存儲(chǔ)器（PCM）、電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）和鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FeRAM）等。這些技術(shù)均具有非易失性、低延遲、低功耗的特點(diǎn)，并可與現(xiàn)有的CMOS半導(dǎo)體工藝集成，為開(kāi)發(fā)新型計(jì)算架構(gòu)提供了可能。

對(duì)比來(lái)看，DRAM的延遲約為14毫秒，3D TLC NAND的讀取延遲在50至100微秒之間，而新型SOT-MRAM的切換速度達(dá)到1納秒級(jí)別，幾乎可與SRAM媲美，同時(shí)還保留了非易失性的優(yōu)勢(shì)——這意味著即使斷電，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。

SOT-MRAM的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

SOT-MRAM之所以備受關(guān)注，源于其獨(dú)特的工作原理和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。它利用具有強(qiáng)自旋軌道耦合作用的材料產(chǎn)生自旋軌道力矩（SOT），實(shí)現(xiàn)磁性隧道結(jié)內(nèi)納米磁體的磁化翻轉(zhuǎn)，從而完成數(shù)據(jù)的寫入與擦除。

相比于其他存儲(chǔ)技術(shù)，SOT-MRAM具有三大核心優(yōu)勢(shì)：

高速寫入：通過(guò)自旋軌道力矩效應(yīng)，可在納秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成磁化翻轉(zhuǎn)，這比傳統(tǒng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方式快得多。高能效：三端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將讀寫電流路徑完全分離，有效解決了STT-MRAM面臨的耐久性問(wèn)題和磁性隧道結(jié)電阻限制，顯著降低了能耗。高可靠性：由于讀寫操作相互獨(dú)立，器件的耐久性大幅提升，可承受更多次的讀寫循環(huán)，同時(shí)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)保持能力出色。

正是這些優(yōu)勢(shì)，使得SOT-MRAM有望替代高速緩存級(jí)別的SRAM，成為新一代計(jì)算系統(tǒng)的核心存儲(chǔ)組件。

攻克關(guān)鍵技術(shù)難題

盡管SOT-MRAM的理論優(yōu)勢(shì)明顯，但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，必須解決一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：自旋軌道耦合材料的熱穩(wěn)定性問(wèn)題。

鎢因其強(qiáng)自旋軌道耦合特性，是SOT-MRAM的理想候選材料。特別是穩(wěn)定在A15結(jié)構(gòu)（β相）的鎢，其自旋霍爾角可達(dá)-0.4至-0.6，具有優(yōu)異的自旋軌道力矩效率。然而，β相鎢屬于亞穩(wěn)態(tài)，在半導(dǎo)體制造過(guò)程中常見(jiàn)的熱處理?xiàng)l件下（通常需在400°C下持續(xù)數(shù)小時(shí)），會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)穩(wěn)定的α相鎢。這種相變是致命的——α相鎢的自旋霍爾角僅約-0.01，自旋軌道力矩翻轉(zhuǎn)效率大幅降低，使器件性能嚴(yán)重退化。

研究團(tuán)隊(duì)的突破性方案是：在鎢層中插入超薄鈷層，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。具體而言，他們將6.6納米厚的鎢層分成四段，每段之間插入僅0.14納米厚的鈷層——這個(gè)厚度小于鈷的單原子層，因此鈷呈不連續(xù)分布。這種精巧設(shè)計(jì)發(fā)揮了兩重作用：鈷層作為擴(kuò)散阻擋層，抑制了鎢層內(nèi)的原子擴(kuò)散；鈷與鎢之間的混合效應(yīng)消耗了熱預(yù)算，從而延緩了相變的發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證令人振奮：這種復(fù)合鎢結(jié)構(gòu)可以在400°C下維持物相穩(wěn)定長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)，甚至能耐受700°C高溫30分鐘，而傳統(tǒng)單層鎢在400°C下僅退火10分鐘就發(fā)生了相變。通過(guò)透射電子顯微鏡、X射線衍射以及臺(tái)灣光子源的納米衍射測(cè)試，研究人員確認(rèn)了β相鎢的穩(wěn)定性。

更重要的是，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅解決了熱穩(wěn)定性問(wèn)題，還保持了優(yōu)異的自旋轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)自旋扭矩鐵磁共振和諧波霍爾電阻測(cè)量，團(tuán)隊(duì)測(cè)得復(fù)合鎢薄膜的自旋霍爾電導(dǎo)率約為4500 Ω?¹•cm?¹，阻尼類扭矩效率約為0.61，這些參數(shù)確保了高效的磁化翻轉(zhuǎn)性能。

性能全面驗(yàn)證

理論上的突破，唯有通過(guò)器件驗(yàn)證才能真正落地。研究團(tuán)隊(duì)基于復(fù)合鎢薄膜方案，成功制備出64千位SOT-MRAM原型陣列，并在接近實(shí)際應(yīng)用的條件下完成了全面的性能測(cè)試與驗(yàn)證。

切換速度方面，器件實(shí)現(xiàn)了1納秒級(jí)的自旋軌道力矩翻轉(zhuǎn)速度，性能幾乎可與SRAM媲美，遠(yuǎn)超DRAM與閃存。對(duì)8000個(gè)器件的統(tǒng)計(jì)測(cè)試顯示，其翻轉(zhuǎn)行為高度一致，在長(zhǎng)脈沖（10納秒）條件下的本征翻轉(zhuǎn)電流密度僅為34.1兆安/平方厘米，展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性與重復(fù)性。

數(shù)據(jù)保持能力同樣出色。根據(jù)累積分布函數(shù)（CDF）估算，器件的熱穩(wěn)定性參數(shù)Δ約為116，意味著其數(shù)據(jù)保持時(shí)間可超過(guò)10年，完全滿足非易失性存儲(chǔ)的嚴(yán)格要求。

在隧穿磁阻比（TMR）測(cè)試中，器件取得了高達(dá)146%的TMR值，表明MgO與Co??Fe??B??之間形成了高質(zhì)量界面，為穩(wěn)定讀取裕量和可靠工藝窗口提供了有力保障。

在能耗控制方面，三端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了讀寫操作的完全獨(dú)立，從根本上降低了能耗，使其尤其適用于對(duì)功耗敏感的邊緣計(jì)算、移動(dòng)終端等應(yīng)用場(chǎng)景。

此外，得益于臺(tái)積電科研團(tuán)隊(duì)的參與，整個(gè)設(shè)計(jì)自立項(xiàng)之初便面向現(xiàn)有半導(dǎo)體后端工藝進(jìn)行優(yōu)化，確保了出色的工藝兼容性，為未來(lái)的大規(guī)模量產(chǎn)鋪平了道路。

值得一提的是，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了無(wú)外加磁場(chǎng)的X型翻轉(zhuǎn)。這一成果得益于復(fù)合鎢材料中的對(duì)稱性破缺效應(yīng)，不僅進(jìn)一步簡(jiǎn)化了器件結(jié)構(gòu)，也提升了集成度和設(shè)計(jì)靈活性，為SOT-MRAM的工程化應(yīng)用開(kāi)辟了新方向。

開(kāi)啟存儲(chǔ)技術(shù)新紀(jì)元

這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)不止于實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)突破，它為整個(gè)存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指明了新方向。與許多仍停留在概念驗(yàn)證階段的新型存儲(chǔ)技術(shù)不同，基于復(fù)合鎢的SOT-MRAM從設(shè)計(jì)之初就考慮了工藝兼容性和可制造性。研究團(tuán)隊(duì)已成功制備出64千位陣列，并計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)展至兆比特（Mb）級(jí)集成，同時(shí)將寫入能耗降至每比特亞皮焦級(jí)別。

在人工智能和邊緣計(jì)算場(chǎng)景中，SOT-MRAM也展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。AI訓(xùn)練與推理過(guò)程中的高頻數(shù)據(jù)訪問(wèn)是能耗的主要來(lái)源，而SOT-MRAM憑借高速、非易失和低功耗的特性，可作為AI加速器的片上緩存，顯著降低系統(tǒng)能耗。在邊緣設(shè)備中，其非易失性意味著設(shè)備可快速啟停而不丟失數(shù)據(jù)，對(duì)電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端尤為有利。

同時(shí)，SOT-MRAM的出現(xiàn)或?qū)⑼苿?dòng)存儲(chǔ)層級(jí)體系的重構(gòu)。傳統(tǒng)的“SRAM緩存—DRAM主存—閃存外存”三級(jí)架構(gòu)可能迎來(lái)變革，SOT-MRAM有望填補(bǔ)SRAM與DRAM之間的性能空白，甚至在部分應(yīng)用中取代其中一者，從而簡(jiǎn)化架構(gòu)、提升系統(tǒng)效率。

在材料科學(xué)層面，研究中提出的“復(fù)合層穩(wěn)定亞穩(wěn)態(tài)相”策略不僅適用于鎢，也為其他功能材料的相穩(wěn)定性研究提供了新的思路。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步探索新型氧化物與二維界面材料，以提升整體性能與可靠性。

更為深遠(yuǎn)的是，這項(xiàng)突破或?qū)⑼苿?dòng)計(jì)算架構(gòu)創(chuàng)新。高速、低功耗的SOT-MRAM讓“存算一體”（In-Memory Computing）等新型架構(gòu)更加可行，為突破傳統(tǒng)馮•諾依曼結(jié)構(gòu)的“存儲(chǔ)墻”瓶頸提供了新的路徑。

結(jié)語(yǔ)

目前來(lái)看，基于復(fù)合鎢的SOT-MRAM，通過(guò)巧妙的材料設(shè)計(jì)解決了β相鎢的熱穩(wěn)定性難題，實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)切換與超長(zhǎng)數(shù)據(jù)保持的完美結(jié)合。這不僅是一項(xiàng)學(xué)術(shù)成果，更是為下一代計(jì)算系統(tǒng)準(zhǔn)備的核心技術(shù)儲(chǔ)備。

對(duì)于研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，他們的目標(biāo)不僅是展示優(yōu)異的實(shí)驗(yàn)室性能，更要通過(guò)系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證，展示MRAM如何在實(shí)際應(yīng)用中顯著降低整體功耗，推動(dòng)AI、邊緣計(jì)算和移動(dòng)設(shè)備的技術(shù)革新。隨著從千位級(jí)向兆位級(jí)集成的推進(jìn)，我們有理由期待，這種新型存儲(chǔ)器將在不久的將來(lái)走進(jìn)我們的智能設(shè)備，開(kāi)啟存儲(chǔ)技術(shù)的新紀(jì)元。