你是否很久以来都认为开机之后看着Windows进度条一次次滚过，然后登录、打开桌面这样的过程是理所当然？之所以每次开机时操作系统都需要重新做一遍内存初始化的操作，是因为现在普遍使用的内存都采用的是动态随机存取技术(DRAM)的内存，像SDRAM、DDR和DDR II都属于这种内存。使用了DRAM技术的内存的一个重要特点就是它们属于挥发性内存(volatile memory)，也就是说一旦断电，它里面的数据就会消失。换句话说，DRAM内存里面的数据之所以能够存在，实际上是依靠不断供电来刷新才得以保持的。

所以，操作系统在每次开机的时刻，总需要把一系列系统本身要使用的数据再次写入内存，这就是开机等待时间里操作系统完成的工作。对于DRAM内存来说，如果要免除这个过程，供内存刷新的电力是不能断的。所谓的睡眠(sleep)，实际上计算机还在继续耗电，只不过是比正常运行时少一些罢了。

然而，东芝集团近日在美国佛罗里达州的坦帕市(Tampa)却向公众展示了一种新型内存——磁阻内存(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)，它的出现将使得这种情况成为过去。

磁阻内存和DRAM内存采用了完全不同的原理。DRAM内存用以表示"0"和"1"的方式是判断电容器中的电量多少来进行的，它不仅需要保持通电，还需要周期性地给电容充电才能保证内容不丢。而磁阻内存的存储原理则完全不使用电容，它采用两块纳米级铁磁体，在界面上用一个非磁金属层或绝缘层来夹持一个金属导体的结构。通过改变两块铁磁体的方向，下面的导体的磁致电阻(magnetoresistance)就会发生变化。电阻一旦变大，通过它的电流就会变小，反之亦然。

因此，只需用一个三极管来判断加电时的电流数值就能够判断铁磁体磁场方向的两种不同状态来区分"0"和"1"了。由于铁磁体的磁性几乎是永远不消失的，因此磁阻内存几乎可以无限次地重写。而铁磁体的磁性也不会由于掉电而消失，所以它并不像一般的内存一样具有挥发性，而是能够在掉电以后继续保持其内容的。

Globalfoundries在2017年VLSI-TSA研讨会上发表论文，介绍如何解决eMRAM面临的挑战，使其更广泛地适用于汽车MCU和SoC应用。

继几家代工厂公开宣布计划在今年年底和2018年之前投产磁阻式随机存取存储器(Magnetoresistive Random Access Memory；MRAM)后，最近一家代工厂描述了如何通过MRAM为嵌入式应用大幅提升数据保存的能力。

在最近于日本举行的“2017年国际超大集成电路(VLSI)技术、系统和应用研讨会”(VLSI-TSA)上，Globalfoundries在发表研究论文时讨论了Everspin Technologies随嵌入式MRAM (eMRAM)转向22nm制程节点的进展。

Globalfoundries嵌入式存储器副总裁Dave Eggleston表示，文中强调的重点突破是eMRAM可在摄氏260度下经由回流焊保存数据、持续十多年维持摄氏125度，以及在摄氏125度具有卓越读/写耐用性的能力。这将使eMRAM能够用于通用微控制器(MCU)和汽车SoC。他说：“磁性层一直缺乏热稳定度。因此，如果数据保存的问题得以解决，就能开启更广泛的市场。”

Eggleston表示，虽然MRAM在先前的技术节点展现了非挥发性、高可靠性以及可制造性，但在微缩至2x nm节点以及相容嵌入式存储器的后段制程(BEOL)温度时开始面临挑战。如文中所述，磁穿隧接面(magnetic tunnel junction；MTJ)堆叠和整合可在摄氏400度、60分钟的MTJ图案化热预算时最佳化，并相容于CMOS BEOL制程。

Eggleston表示，三家主要的代工厂都推出了采用该技术的产品，客户并选择了Globalfoundries的制程开发套件(PDK)进行设计。主要的晶圆设备制造商从几年前开始投入这个领域，因为他们认为它具有充份的商业潜力，因此该工具可用于MTJ的沉积与蚀刻。Eggleston说：“他们已经与像我们这样的大型晶圆厂以及像Everspin等小型公司联手，共同投资与开发产品。”

同时，MCU客户开始认真地研究如何利用MRAM强化其架构。Eggleston说：“他们实现了更快的写入速度，也具有更高的耐用性。”这让他们能在以往可能使用静态随机存取存储器(SRAM)的应用开始使用嵌入式MRAM。他并指出，以电路的简单性和制造成本来看，2x nm节点正是该技术的甜蜜点。

Globalfoundries的MTJ堆叠和整合已在摄氏400度、60分钟MTJ图案化热预算时最佳化，并相容于CMOS BEOL制程

的市场机会和其他新兴与现有的存储器技术并没有太大的不同：新的大量市场包括移动性、联网、数据中心、物联网(IoT)以及汽车等。Eggleston指出，对于Globalfoundries来说，物联网与汽车市场更重要。“我们曾经说过这两大市场在很大程度上是相同的，但作为一家代工厂，我们在汽车领取得了更大的成长动能。”

嵌入式快闪存储器(eFlash)一直是目前普遍使用的嵌入式存储器，但因应市场需求存在多种新兴的存储器选择。除了eMRAM以外，还有相变存储器(PCM)、嵌入式电阻RAM(eRRAM)、碳纳米管(CNT)和铁电场效电晶体(FeFET)等。Eggleston指出，无论是哪一种选择，都必须在数据保存、效率与速度方面权衡。CNT和FeFET均展现发展潜力，但还不够成熟，而PCM则适用于特定应用，而无法广泛用于嵌入式应用。

Eggleston说：“MRAM和RRAM具有类似的功能，二者都是后段校准的存储器，因而能更易于落实于逻辑制程中。”可用的制程技术包括需要大型芯片、FD-SOI或FinFET的制程。他并表示，eFlash可内建于芯片之中，但如果要建置于各种不同的技术中将更具挑战性。

Eggleston说，RRAM的堆叠更简单，因为在电极之间所需的材料较少。他说：“而且它并不需要像MRAM一样的设备投资。MRAM由于堆叠较复杂，确实需要一些资本设备投资。”然而，他指出，RRAM无法提供满足更广泛市场所要求的数据保存、速度以及耐用度等能力。

Eggleston说，MRAM较RRAM胜出之处在于其多功能性，因为它的材料组成可在电极之间加以调整。“你可以为其进行调整，使其具有更好的数据保存能力，或是支援更快的写入速度与耐用性。”他并补充说，这种可调整的能力让Globalfoundries能在先进节点跨足以往采用eFlash的领域，也可以调整其速度，使其得以作为非挥发性快取，用于伺服器处理器与储存控制器中。