電腦能實現開機秒喚醒，全靠這個元件

手機、筆電，甚至AI服務器，能實現開機秒喚醒、幾乎零延遲，內存和存儲不再分家——想實現這個夢想，不一定非要打破馮諾依曼存算分離的架構，把內存做得更優、給未來計算機裝上“磁力記憶”，速度和穩定性兼得，或許也能打造出超低功耗信息存儲元件。最新的科研結果又給業界一針“強心劑”。

01

最被看好的“候選者”

1996年，人們還在使用只有1.5MB不到的磁性軟盤；而現在我們用的NAND Flash不僅能越存越多，讀取速度也越來越快，怎能讓人不感慨？

不過NAND Flash也有瓶頸：隨著制程技術越來越先進，硬盤的面積越來越小、容量提升越來越難。只能往3D的方向發展，不斷把存儲芯片堆高，從另一個維度提升內存容量。

但其實還有另一種方法，比如改進現有使用電荷的半導體操作方法，不再以電荷為先，而是把重心放在“磁”上。

最近，一支來自中國臺灣的研究團隊在《Nature Electronics》上發表了新的研究結果。簡單來說，就是解決了SOT-MRAM（自旋軌道轉矩磁隨機存儲器）的結構脆弱難題，讓這個超新存儲芯片能安安穩穩地度過400攝氏度的制造流程。

要想了解這個前沿技術，我們要先講講“老”技術。

都知道我們常用的手機、電腦都有三種存儲芯片，分別是快存快取的SRAM（靜態存儲器）、擔當系統主內存的DRAM（動態存儲器）以及負責長期存儲的Flash（非易失閃存），前面說的NAND Flash就是非易失閃存的一種。

但這三種都不是完美的技術，要么會斷電就丟失數據，要么存得比較慢，業界一直想把它們換掉。備選的有幾種，我們要講的是其中最被看好的“候選人”，也是最接近產業化的一種“MRAM”，即磁隨機存取存儲器。

02

給內存加上“磁力”

我們上面說到的三種存儲器都是傳統“電荷型”記憶體，在制程進入10nm（納米）后，都會出現發熱、可靠性下降等問題。

其中，SRAM的問題最大。它是利用晶體管的開關狀態來存儲數據，只要通電，數據就能一直保持，不需要“刷新”，所以是“靜態”的。目前最快的存儲技術都用在這塊，為的就是能夠跟上CPU的運算速度。

SRAM每一個控制單元就像是需要通電才能維持的蹺蹺板；而在晶片上，這樣的小單元有數十億個，都需要電來同時撐住它們、保持平衡。這么一來，就會產生龐大的靜態功耗或者漏電流，整個芯片燙手得很。

而且每個存儲單元每個0和1都需要好幾個晶體管來“伺候”，導致成本高、密度低、功耗較大，這就帶來了“可微縮性挑戰”。

產業界這么多年遍尋各種替代方案，想徹底顛覆SRAM的制造難題，找來找去還是MRAM離產業更近。簡單來說，就是更強、更快還最接近商用化。

MRAM的“M”代表的是“磁（magnetic）”，與傳統的SRAM不同，MRAM不以電荷或電流存儲數據，而是由磁性隧道結（MTJ，Magnetic tunnel junction）的磁性存儲數據。它并不是新鮮概念，其實已經有很久的歷史，現在主要攻克的都已經是第三代MRAM。

第三代MRAM技術分為兩種，一種是通過施加電壓改變磁各向異性，使得磁矩發生翻轉的“VCMA-MRAM（壓控磁各向異性MRAM）”；另一種就是開頭論文中提到的SOT-MRAM，通過在重金屬層中通入面內電流使得磁矩發生翻轉。

這么解釋還是有點抽象，我們可以換個方式理解。想象一下，每個存儲單元都有一個小磁鐵，磁鐵本身就代表一個比特，它固定在某個位置，可以朝上也可以朝下，這個磁鐵翻轉的方向就代表“0”和“1”。

這么一來，如果我們要存什么資料，只需要一通電就能產生自旋軌道力矩，也就是SOT（spin-orbit torque），進而翻轉磁極向上或是向下。注意！就算這個時候斷電，磁極依然會保持之前的轉向，記錄信息更久這就是“非揮發”的特性表現。

不僅斷電不丟，還比傳統閃存寫入快得多的SOT-MRAM就成了最受矚目的下一代存儲技術，臺積電、三星、英特爾等芯片大廠幾乎都有押注。

03

建成“防火墻”

讓芯片穩過400℃“火劫”

不過電流在SOT-MRAM上并不是直接穿過那個磁鐵結構，直接“打它”；而是從它旁邊，穿過一條重金屬特殊層，讓這個流過的電流在旁邊產生一種橫向的自旋力矩，更像是在側面推它一把，從而推動磁化方向翻轉。

但是SOT-MRAM的核心材料β鎢卻特別容易在高溫下不穩定。β鎢的自旋霍爾效應很強，能用一點點電來反轉磁極，但它又很不穩定，很有可能變成沒什么用的α鎢。

補充一點，鎢有兩種變型，α和β。在標準溫度和常壓下，α型是穩定的體心立方結構；β鎢只有在有氧存在的條件下才能出現。理論上，它在630攝氏度以下是穩定的，在630攝氏度以上又轉化為α鎢，并且這一過程是不可逆的。

芯片制造流程中有一段叫“高溫烘烤”，雖然溫度只設置為400攝氏度，但需要連烤數小時，足以讓β鎢的原子獲得能量，到處亂跑直到“變型”。

那預防的方式就從材料入手唄。上文提到的最新研究成果就是把整片的β鎢切成多層的薄片，每層都塞入原子級的“鈷”，這個鈷金屬夾層就像“防火墻”，阻止β鎢的原子受到高溫影響。這么一來就讓脆弱的結構變得穩如磐石。

SOT-MRAM的商業化前提是β鎢的穩定

經過驗證，帶有“鈷夾層”的SOT-MRAM芯片在400攝氏度的烤爐中，經過10小時的烘烤流程，性能依然頂尖，這簡直為SOT-MRAM走出實驗室埋下了重要一步。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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