自旋芯片与技术重点实验室发布全球首款4 Mb全功能SOT-MRAM芯片

本次技术突破有力推动了SOT-MRAM技术的发展及产业化进程。

在2025年12月13日至15日召开的“第一届自旋芯片与技术研讨会”上，自旋芯片与技术全国重点实验室发布了全球首款单片容量达到4 Mb的全功能第三代MRAM芯片——SOT-MRAM芯片，这也是全球第一款Mb容量的垂直磁化SOT-MRAM芯片。

磁随机存取存储器（MRAM）是一种基于磁电阻效应的新型非易失性存储器，其最大特点是能同时兼具高速、低功耗、抗辐射、近乎无限的可重写次数、掉电信息不丢失等优势，是存储芯片领域的新赛道技术。目前，第一代、第二代MRAM均已实现产业化。

第三代MRAM采用自旋轨道矩（spin-orbit torque，SOT）写入机制。与第二代自旋转移矩（spin-transfer torque, STT）MRAM（STT-MRAM）相比，第三代SOT-MRAM可实现纳秒至亚纳秒级的写入速度，其读写路径分离的结构也使其具有极高的可擦写次数，大幅提升了器件的可靠性及使用寿命。SOT-MRAM被视为是未来高速缓存和存内计算架构中极具潜力的新型存储芯片技术。目前，SOT-MRAM还处于研发阶段。由于材料、工艺及芯片设计等技术原因，此前业界报道的最高存储容量还都在百Kb量级，在走向产业化的历程中仍面临众多技术挑战。

SOT-MRAM存储单元根据磁化方向可分为垂直磁化与面内磁化两类。其中，垂直磁化方案在高密度存储上具有长期可持续微缩的优势，也更具挑战。

实验室成功开发了垂直磁化SOT-MRAM的自旋轨道矩材料技术、存储材料技术和特种刻蚀工艺技术，有力地支持了芯片容量的突破和写入功耗的降低。在芯片设计方面，实验室通过设计-工艺协同优化，结合芯片系统创新，芯片的读写速度、可靠性及稳定性得以显著提升。所引入的双重容错机制，进一步增强了芯片的整体性能与良率。

2T-1R SOT-MRAM位元结构及读写操作示意图

在此基础上，实验室成功开发出单片4 Mb SOT-MRAM功能芯片。实测数据显示，该芯片存储容量在全球首次突破Mb大关，芯片存储单元的写入时间仅为1 ns，耐久性超过1012次循环，并在-40°C至85°C的温度范围内保持稳定工作。

4 Mb SOT-MRAM芯片照片和封装片示意图

上述技术突破有力推动了SOT-MRAM技术的发展及产业化进程。