了解新型存储技术PCM与MRAM

NAND闪存是一种非易失性存储技术，它不需要持续供电即可保持数据，小型化和低功耗特性使得它成为智能手机、平板电脑、数码相机等便携设备的理想存储解决方案。伴随不断进步的制造技术带来逐渐降低的数据存储成本，以及相对传统存储更快的读写速度和更低的访问延迟，NAND闪存在高性能计算、服务器和数据中心等企业级领域的应用逐渐普及。

但NAND闪存在速度、耐用性、能耗和寿命等方面的局限，也使得人们把注意力转向新的存储技术。

相变存储器(PCM)、磁性随机存取存储器（MRAM）、铁电随机存储器（FERAM）、电阻式随机存储器（ReRAM） 以及非易失性随机访问储存器(NRAM/UltraRAM ) 就是新型存储中的代表。凭借比NAND闪存在擦写寿命限制、读写速度、能耗和性能瓶颈等方面的显著改善和提升，它们在某些特定领域表现出强大的发展潜力，PCM和MRAM 更是一度被誉为“下一代的新型存储技术”。

PCM

PCM通过改变存储材料的结晶态与非结晶态来存储信息，提供了比传统闪存更快的读写速度和几乎无限的擦写耐久性。

PCM被认为是与CMOS工艺最兼容，技术最成熟的存储技术。2006年，英特尔与三星合作生产第一款商用PCM芯片。由于面临着编程复杂度较高、写入能耗较大以及相变材料的稳定性等问题，因此，以英特尔与美光联合研发的3D Xpoint为代表的商业化PCM所占市场份额并不大。

3D Xpoint虽然速度逊于DRAM，但其具备1000倍闪存的性能、1000倍的可靠性以及10倍的容量密度。不过，随着英特尔傲腾业务的关闭，3D XPoint技术也消失在历史的长河中。

PCM技术的研发仍在进行中。2022年，华中科技大学集成电路学院信息存储材料及器件研究所（ISMD）联合西安交通大学材料创新设计中心（CAID）研发了一种网状非晶结构的相变存储器，功耗达到了0.05pJ以下，比主流产品功耗低了1000倍。

MRAM

MRAM基于磁电阻效应工作，使用磁性隧道结（MTJ）作为基本存储单元。每个MTJ由两层磁性材料夹着一层薄绝缘层组成，根据这两层磁性材料的磁化方向是否一致，MTJ表现出不同的电阻值，以此来存储信息。MRAM结合了DRAM的高速读写性能和SRAM的非易失性特性，同时具有低功耗、高耐久性、宽工作温度范围以及几乎无限次的擦写循环等优点。

MRAM研究集中在提高存储密度、降低写入能量、增加读写速度以及提高制造过程的兼容性和成本效率方面。STT-MRAM因其较低的写入电流和更好的可扩展性成为研究热点，而SOT-MRAM则因其实现更低功耗和更快切换速度的潜力受到关注。

第一个商业化的MRAM是飞思卡尔半导体公司2006年生产的4 Mb容量Toggle-MRAM；Honeywell和Cobham（前身为Aeroflex）等公司也陆续推出了相关产品，东芝2014年宣布用STT-MRAM代替SRAM，使得微处理器中的高速缓存功耗降低了近60%。2017年5月，北京航空航天大学与中科院微电子所联合成功制备国内首个80纳米自旋转移矩磁随机存储器芯片（STT-MRAM）器件。

2023年6月，深圳松山湖材料实验室自旋量子材料与器件课题组与加州大学洛杉矶分校、阿卜杜拉国王科技大学、电子科技大学和中科院物理所合作，实现了基于拓扑绝缘体和具有更高存储密度的垂直磁各向异性隧道结(pMTJ)相结合的SOT-MRAM存储器件。台积电更是开发出16／12纳米制程等相关MRAM产品线。

新型存储技术，任重道远

事实上，无论是PCM、MRAM，还是FERAM、ReRAM 以及NRAM/UltraRAM，尽管被列为新型存储技术，但它们问世已经有不短的日子了，但按照经验和市场现状分析，它们商业化道路还很漫长。相比之下，MRAM率先胜出的概率会高一些。

随着技术的不断成熟和成本的降低，势必会有更多的新型存储介质问世，并推动存储行业向更高效、更持久的方向发展。

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