电脑能实现开机秒唤醒，全靠这个元件

手机、笔电，甚至AI服务器，能实现开机秒唤醒、几乎零延迟，内存和存储不再分家——想实现这个梦想，不一定非要打破冯诺依曼存算分离的架构，把内存做得更优、给未来计算机装上“磁力记忆”，速度和稳定性兼得，或许也能打造出超低功耗信息存储元件。最新的科研结果又给业界一针“强心剂”。

01

最被看好的“候选者”

1996年，人们还在使用只有1.5MB不到的磁性软盘；而现在我们用的NAND Flash不仅能越存越多，读取速度也越来越快，怎能让人不感慨？

不过NAND Flash也有瓶颈：随着制程技术越来越先进，硬盘的面积越来越小、容量提升越来越难。只能往3D的方向发展，不断把存储芯片堆高，从另一个维度提升内存容量。

但其实还有另一种方法，比如改进现有使用电荷的半导体操作方法，不再以电荷为先，而是把重心放在“磁”上。

最近，一支来自中国台湾的研究团队在《Nature Electronics》上发表了新的研究结果。简单来说，就是解决了SOT-MRAM（自旋轨道转矩磁随机存储器）的结构脆弱难题，让这个超新存储芯片能安安稳稳地度过400摄氏度的制造流程。

要想了解这个前沿技术，我们要先讲讲“老”技术。

都知道我们常用的手机、电脑都有三种存储芯片，分别是快存快取的SRAM（静态存储器）、担当系统主内存的DRAM（动态存储器）以及负责长期存储的Flash（非易失闪存），前面说的NAND Flash就是非易失闪存的一种。

但这三种都不是完美的技术，要么会断电就丢失数据，要么存得比较慢，业界一直想把它们换掉。备选的有几种，我们要讲的是其中最被看好的“候选人”，也是最接近产业化的一种“MRAM”，即磁随机存取存储器。

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给内存加上“磁力”

我们上面说到的三种存储器都是传统“电荷型”记忆体，在制程进入10nm（纳米）后，都会出现发热、可靠性下降等问题。

其中，SRAM的问题最大。它是利用晶体管的开关状态来存储数据，只要通电，数据就能一直保持，不需要“刷新”，所以是“静态”的。目前最快的存储技术都用在这块，为的就是能够跟上CPU的运算速度。

SRAM每一个控制单元就像是需要通电才能维持的跷跷板；而在晶片上，这样的小单元有数十亿个，都需要电来同时撑住它们、保持平衡。这么一来，就会产生庞大的静态功耗或者漏电流，整个芯片烫手得很。

而且每个存储单元每个0和1都需要好几个晶体管来“伺候”，导致成本高、密度低、功耗较大，这就带来了“可微缩性挑战”。

产业界这么多年遍寻各种替代方案，想彻底颠覆SRAM的制造难题，找来找去还是MRAM离产业更近。简单来说，就是更强、更快还最接近商用化。

MRAM的“M”代表的是“磁（magnetic）”，与传统的SRAM不同，MRAM不以电荷或电流存储数据，而是由磁性隧道结（MTJ，Magnetic tunnel junction）的磁性存储数据。它并不是新鲜概念，其实已经有很久的历史，现在主要攻克的都已经是第三代MRAM。

第三代MRAM技术分为两种，一种是通过施加电压改变磁各向异性，使得磁矩发生翻转的“VCMA-MRAM（压控磁各向异性MRAM）”；另一种就是开头论文中提到的SOT-MRAM，通过在重金属层中通入面内电流使得磁矩发生翻转。

这么解释还是有点抽象，我们可以换个方式理解。想象一下，每个存储单元都有一个小磁铁，磁铁本身就代表一个比特，它固定在某个位置，可以朝上也可以朝下，这个磁铁翻转的方向就代表“0”和“1”。

这么一来，如果我们要存什么资料，只需要一通电就能产生自旋轨道力矩，也就是SOT（spin-orbit torque），进而翻转磁极向上或是向下。注意！就算这个时候断电，磁极依然会保持之前的转向，记录信息更久这就是“非挥发”的特性表现。

不仅断电不丢，还比传统闪存写入快得多的SOT-MRAM就成了最受瞩目的下一代存储技术，台积电、三星、英特尔等芯片大厂几乎都有押注。

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建成“防火墙”

让芯片稳过400℃“火劫”

不过电流在SOT-MRAM上并不是直接穿过那个磁铁结构，直接“打它”；而是从它旁边，穿过一条重金属特殊层，让这个流过的电流在旁边产生一种横向的自旋力矩，更像是在侧面推它一把，从而推动磁化方向翻转。

但是SOT-MRAM的核心材料β钨却特别容易在高温下不稳定。β钨的自旋霍尔效应很强，能用一点点电来反转磁极，但它又很不稳定，很有可能变成没什么用的α钨。

补充一点，钨有两种变型，α和β。在标准温度和常压下，α型是稳定的体心立方结构；β钨只有在有氧存在的条件下才能出现。理论上，它在630摄氏度以下是稳定的，在630摄氏度以上又转化为α钨，并且这一过程是不可逆的。

芯片制造流程中有一段叫“高温烘烤”，虽然温度只设置为400摄氏度，但需要连烤数小时，足以让β钨的原子获得能量，到处乱跑直到“变型”。

那预防的方式就从材料入手呗。上文提到的最新研究成果就是把整片的β钨切成多层的薄片，每层都塞入原子级的“钴”，这个钴金属夹层就像“防火墙”，阻止β钨的原子受到高温影响。这么一来就让脆弱的结构变得稳如磐石。

SOT-MRAM的商业化前提是β钨的稳定

经过验证，带有“钴夹层”的SOT-MRAM芯片在400摄氏度的烤炉中，经过10小时的烘烤流程，性能依然顶尖，这简直为SOT-MRAM走出实验室埋下了重要一步。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

总编辑｜吴新

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