北京航空航天大學(xué)副校長趙巍勝：MRAM最新進展及未來發(fā)展趨勢

作者：ICVIEWS編輯部

近日，北京航空航天大學(xué)黨委常委、副校長趙巍勝，分享了MRAM最新進展及未來發(fā)展趨勢。

MRAM的前身是磁存儲，其是人工智能時代的根技術(shù)，如今數(shù)據(jù)中心中有70%以上的數(shù)據(jù)依舊保存其中。十年前就有不少專家認(rèn)為未來磁存儲將被SSD完全取代，然而十年后，磁存儲依舊是最重要的存儲技術(shù)。

?01磁存儲技術(shù)的發(fā)展歷程

首先是技術(shù)突破，磁存儲技術(shù)自誕生以來，致力于解決信息存儲與讀取的關(guān)鍵技術(shù)難題。1992 年美國 MIT 與 IBM 聯(lián)合研發(fā)出隧穿磁阻技術(shù)，基于自旋電子與量子隧穿效應(yīng)，成為現(xiàn)代大容量硬盤讀取技術(shù)的核心。1996 年摩托羅拉引領(lǐng)的寫入技術(shù)取得突破，并于 2004 年廣泛應(yīng)用。制造方面采用前端半導(dǎo)體與后端自旋電子的混合集成技術(shù)，2006 年成功量產(chǎn)首顆芯片，在航空航天、飛機制造等領(lǐng)域占據(jù)核心地位，我國 C919 大飛機也采用了磁存儲芯片。

其次是技術(shù)演進與應(yīng)用拓展，1996 年開始，IBM 等企業(yè)在微縮技術(shù)上努力，提高了存儲效率。過去 20 年，日本東北大學(xué)與北航分別解決第二代磁存儲技術(shù) STT-MRAM 的核心問題，2018 年進入量產(chǎn)階段，全球多家代工廠具備生產(chǎn)能力，專利布局日趨完善。近年來，磁存儲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，在汽車產(chǎn)業(yè)展現(xiàn)巨大潛力，預(yù)計到 2030 年市場規(guī)模達數(shù)十億美元。第一代磁存儲芯片雖占市場主流（占有率約 80%），但集成度問題促使業(yè)界探索新技術(shù)。

在應(yīng)用案例方面，華為智能手表等消費級產(chǎn)品率先采用磁存儲技術(shù)，顯著提升了待機時間與性能。同時，在車載電子和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，磁存儲技術(shù)也展現(xiàn)出強大的競爭力，成為降低功耗、提升算力密度的關(guān)鍵解決方案。特別是在數(shù)據(jù)中心，磁存儲技術(shù)的應(yīng)用能夠大幅優(yōu)化功耗問題，滿足日益增長的數(shù)據(jù)存儲需求。

在一些應(yīng)用中，MRAM可以被看做是 NOR FLASH的替代者，但是和SRAM相比，MRAM的速度、可擦寫次數(shù)等方面還存在不足。

于是，第三代自旋存儲技術(shù)SOT MRAM的研發(fā)成為國際科技競爭的新焦點。基于自旋協(xié)同曲技術(shù)的第三代磁存儲芯片，有望在密度、功耗及算力密度上實現(xiàn)突破性進展，成為未來算力芯片的重要支撐。

SOT MRAM也是目前唯一一個能夠取代SRAM的技術(shù)方案。

?02未來發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)

就當(dāng)前國際上涉足該領(lǐng)域的公司所關(guān)注的問題以及在未來可能會面臨的挑戰(zhàn)，趙巍勝指出以下幾點：

一是 MRAM 是否有希望替代 DRAM。從自然界第一性原理來看，最佳信息載體并非電容，而 1970 年發(fā)現(xiàn)的釩鐵磁這種物理現(xiàn)象，兩個原子湊到一起可代表 0 和 1，有望帶來 10 納米的突破。第三代自旋芯片可能突破 10 納米限制，北航和華為長期在此領(lǐng)域合作。大容量芯片的出現(xiàn)可能使未來的 HBM 發(fā)生顛覆性變化，只有 MRAM 能與 DRAM 匹配，從而解決 DRAM 功耗問題。

二是存算一體是否有希望替代馮諾依曼架構(gòu)。傳統(tǒng) AI 芯片采用馮諾依曼架構(gòu)，雖有人期待存算一體替代它，但實現(xiàn)起來非常困難。

三是量子計算技術(shù)的發(fā)展。量子計算雖有趣但難以應(yīng)用到手機手表等小型設(shè)備。

關(guān)于對未來的展望，過去十年，我國在該領(lǐng)域從一無所有發(fā)展到現(xiàn)在基本形成產(chǎn)業(yè)鏈，涵蓋制造、設(shè)計、裝備、應(yīng)用等環(huán)節(jié)。未來十年，三代產(chǎn)品將并行發(fā)展，持續(xù)快速增長。第一代繼續(xù)在工業(yè)領(lǐng)域、航空航天應(yīng)用；第二代在 IoT 終端、車載、數(shù)據(jù)中心持續(xù)增長；第三代是我國真正的自主發(fā)展機會，若能重點發(fā)展第三代，實現(xiàn)對前兩代的替代，將是重要機遇。