解析新型存儲(chǔ)介質(zhì)MRAM

我想各位肯定也有過類似經(jīng)歷：辛辛苦苦編輯的文檔，由于沒有及時(shí)保存，被突如其來的斷電（熊孩子關(guān)機(jī)、跳閘、停電等），弄得你的工作付諸東流。

為什么數(shù)據(jù)沒有保存，掉電就丟失了呢？因?yàn)槲覀兙庉嬑臋n等操作，都是在內(nèi)存中進(jìn)行的。內(nèi)存是揮發(fā)性介質(zhì)，掉電后數(shù)據(jù)就丟失。而硬盤是非揮發(fā)性介質(zhì)，數(shù)據(jù)一旦保存，即使遇到異常掉電情況，上電后數(shù)據(jù)還在。

內(nèi)存（Memory）和硬盤（Storage），作為存儲(chǔ)介質(zhì)，由于不同的特性，它們之間的界限還是很明顯的。內(nèi)存由于其訪問速度快的特點(diǎn)，用以存放程序運(yùn)行代碼和數(shù)據(jù)；硬盤（HDD或者SSD）由于其非揮發(fā)性特點(diǎn)，用以長(zhǎng)久存放用戶文件數(shù)據(jù)。有沒有一種這樣的存儲(chǔ)介質(zhì)，既具有內(nèi)存速度快的特點(diǎn)，還具有硬盤非揮發(fā)性的特點(diǎn)？

有！今天我要介紹的MRAM就是這樣一種新型存儲(chǔ)介質(zhì)。

什么是MRAM

何為MRAM? 百度百科是這樣說的：

“MRAM(Magnetic Random Access Memory) 是一種非易失性(Non-Volatile)的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。它擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入?！?/p>

劃重點(diǎn)：

MRAM是非揮發(fā)性介質(zhì)；

MRAM是磁性隨機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)；

MRAM具有RAM的讀寫速度；

MRAM可接近無限次寫入。

MRAM特點(diǎn)

我們來看看MRAM有哪些特性。

首先看看MRAM有多快。

從上圖可以看出，MRAM（Spin Torque MRAM）的讀寫速度跟DRAM差不多。3D-Xpoint、PCM等新型存儲(chǔ)介質(zhì)，在寫速度方面跟MRAM相差二三個(gè)數(shù)量級(jí)。所有新型存儲(chǔ)介質(zhì)中，MRAM是唯一一個(gè)真正做到和DRAM一個(gè)級(jí)別訪問速度的介質(zhì)。

從上圖我們還可以看到，MRAM非常耐寫，1后面跟了很多很多0，可以認(rèn)為是長(zhǎng)生不老。

除此之外，MRAM還具有很好的數(shù)據(jù)保持性和寬的工作溫度范圍。

總結(jié)一下MRAM的特點(diǎn)：

基于閃存的SSD，由于每個(gè)block壽命有限，因此SSD固件需要做磨損均衡（wear leveling）算法。MRAM由于長(zhǎng)生不老的特點(diǎn)，固件就無需實(shí)現(xiàn)wear leveling了。

閃存不能覆蓋寫（寫之前需擦除block），因此SSD固件需要做垃圾回收。MRAM可以原地更新，因此不存在垃圾回收之說。

MRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理

我們知道（不知道的參看《閃存基礎(chǔ)》），閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在浮柵晶體管，通過往浮柵極注入電子的多少來表示邏輯“0”和“1”。

那么，MRAM存儲(chǔ)原理是什么呢？

MRAM的存儲(chǔ)單元是MTJ(“茅臺(tái)酒”，Magnetic Tunnel Junction，磁性隧道結(jié)）+ 一個(gè)晶體管：

MTJ由三層組成：

最下面是自旋方向固定的一層（可以認(rèn)為磁性方向固定），中間是隧穿層，最上面自由層的自旋方向可以發(fā)生變化，向左或者向右。當(dāng)最上層自旋方向與最下層自旋方向一致時(shí)，MTJ具有低電阻；當(dāng)最上層自旋方向與最下層自旋方向相反時(shí)，MTJ具有高電阻。因此，MRAM通過判斷MTJ是低電阻還是高電阻，來感知“1”（低阻態(tài)）或者“0”（高阻態(tài)）。

寫入數(shù)據(jù)的過程如下圖，相互垂直的一系列電流相當(dāng)于經(jīng)緯線，通過嚴(yán)格控制電流，可以精準(zhǔn)地在二者相交的地方產(chǎn)生合適的磁場(chǎng)，從而改變最上面一層自旋方向。

當(dāng)最上層的（Free Layer）一旦自旋方向確定后，它不會(huì)因?yàn)榈綦姸l(fā)生自旋方向改變，因此，MRAM是非揮發(fā)性存儲(chǔ)介質(zhì)。

上面描述的其實(shí)是第一代MRAM，即Toggle MRAM。

Toggle MRAM可以有效抵抗高輻射以及高溫環(huán)境，因此可以用于軍事及航天領(lǐng)域。

但Toggle MRAM的缺點(diǎn)是：

功耗相對(duì)高；

集成度做不上去（尺寸越小，寫干擾大）。

第二代MRAM叫做STT-MRAM, Spin-Transfer Torque MRAM, 其存儲(chǔ)單元也是MTJ+一個(gè)晶體管。不過，MTJ的自旋方向是上下，而不是左右；另外，它寫入方式與Toggle MRAM不同，STT-MRAM使用自旋極化的電流來控制最上層的自旋方向。

與Toggle MRAM相比，STT-MRAM具有以下特點(diǎn)：

速度更快；

更加節(jié)能；

集成度更高。

MRAM應(yīng)用場(chǎng)景

MRAM兼有DRAM的訪問速度和硬盤的非揮發(fā)性，它把內(nèi)存和硬盤合二為一。

因此，它可以應(yīng)用在任何需要快速訪問（低延遲和高性能）但又希望掉電后數(shù)據(jù)不丟失的場(chǎng)合。

回到開頭發(fā)生在我身上的那個(gè)場(chǎng)景，如果我電腦配了MRAM，那么即使熊孩子按了我電腦電源，開機(jī)后我未保存的文檔還是在那的。

MRAM發(fā)展現(xiàn)狀

家有熊孩子的朋友可能要問，這么牛逼的東西，哪里有得賣？

MRAM不是只存在實(shí)驗(yàn)室，Everspin公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，包括Toggle MRAM和STT-MRAM產(chǎn)品。

下面是MRAM和Everspin公司的發(fā)展歷程。

另外，GlobalFoundries和三星也宣布了MRAM的產(chǎn)品計(jì)劃。三星預(yù)計(jì)今年（2018年）年底就會(huì)出eMRAM（STT-MRAM）產(chǎn)品。

除此之外，還有其他一些公司也在開發(fā)MRAM芯片，其中就有我們熟知的IBM和Toshiba，以及不那么熟悉的Avalanche Technologies,Spin Transfer Technologies，Crocus等。

我沒有MRAM的價(jià)格數(shù)據(jù)。但很顯然，作為一種新型存儲(chǔ)介質(zhì)，剛上市價(jià)格肯定不便宜。