随着信息通信技术的发展，人类在过去三十年积累的信息量远远大于过去五千年创造的知识量，而且这些信息量每三个月翻一番。研究报告指出，截至2020年，人类所生产的信息总量将达40泽字节（zettabytes）1。未来，通过大数据、社交网络服务（SNS）、物联网（IoT）和云计算（Cloud Computing）等普适计算（Ubiquitous Computing）2所产生的信息量将以几何级数增长。
根据这一趋势，包括移动设备在内的各种电子产品正朝着更小（“超小型”）、更低功耗（“超低功耗”）和更快（“超高速”）的方向发展。不仅如此，还与人工智能（AI）或物联网相结合，发展成为智能设备。
用于存储或处理数据的半导体元件也为了满足小尺寸、大容量需求，尺寸越来越小至纳米级，密度也越来越高。其结果，企业的制造工艺流程变得更加复杂，产品发热更严重，耗电更快。
鉴于此，为了大幅降低功耗，使用电荷3的现有半导体操作方法亟需改善的呼声越来越大。为此，目前正在研发多项技术，而在迄今为止开发的下一代低功耗半导体技术中，利用电子自旋（Spin）4的“自旋电子学（Spintronics）”5技术有望满足超低功耗要求。
这项技术同时利用电荷和自旋这两种电学物理量6，以元件的电阻随自旋方向而变化的方式实现，因此处理速度快，而且当电流流动时不产生热量，功耗极低。正因为此，利用电子自旋的磁随机存储器（Magnetic Random Access Memory，简称 MRAM）有望与半导体技术相结合，带动下一代超低功耗信息存储元件的发展。
1 泽它（Zetta）是表示10的21次方的计算机存储单位，字节（Byte）是用来表示数据大小的单位。容量的单位从小到大依次是：字节（B）、KB（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）、拍字节（PB）、艾字节（EB）、泽字节（ZB），以1000为倍数增加。
2 普适计算（Ubiquitous Computing）是指人们能够随时随地使用计算机和互联网的环境。ubiquitous源自拉丁语“ubique”，意思是“无处不在”。
3 电荷是指带电物质的物理性质或物理量（表示物质性质或状态的量）。所有粒子可以分为带正电的粒子、带负电的粒子和没有电荷的中性粒子。
4 自旋（Spin）是代表粒子基本属性的物理量之一。作为粒子固有的角动量（旋转运动的强度或动量），具有大小和方向。电子除了围绕原子核旋转的运动之外，还围绕通过其重心的轴旋转，这种旋转运动被称为“自旋”。
5 自旋电子学是通过将电子沿着不同方向旋转的现象分成0和1两个数字信号来存储数据的电子工程技术。
6 如长度、重量、粘度、质量、温度、容量等，物理量表示物质的性质或状态的量。
早期磁随机存储器（MRAM）的原理及局限性
MRAM的关键部分是位于存储器电路的数位线（digit line）7和位线（bit line）8交叉处的磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction, 简称 MTJ）。MTJ基本上是由固定铁磁层、绝缘隧穿势垒、自由铁磁层组成的三层结构。其中，容易改变磁化9方向的叫做自由铁磁层，不易改变方向的叫做固定铁磁层。
7 数位线是用于输入信息的电路。
8 位线是用于读取信息的电路。
9 磁化是使原来不具有磁性的物质获得磁性的过程。磁性物质的磁化方向取决于由N极到S极的方向。
MTJ的关键特性是元件的电阻随两个铁磁层的相对磁化方向而变化。当构成MTJ的两铁磁层的磁化方向互相平行，元件电阻值会偏低；当磁化方向变成反平行，电阻值会偏高。
假设上下磁化方向反平行时的高电阻为RAP，平行时的低电阻为RP，两个数的差为ΔR（ΔR=RAP–RP），则磁电阻（Magneto-resistance，简称 MR ratio）被表示为ΔR/RP。磁电阻取决于所使用的磁性材料和绝缘隧穿势垒，通常被除以百分之数十到数百%。
MTJ的电阻随着MRAM外部磁场的变化而变化
当磁场为0时，MRAM利用RAP和RP的不同状态将数据存储在二进制的“1”和“0”中。在上图中，x轴代表外部施加的磁场，y轴代表电阻。当x值为0（x=0）时，RP和RAP的电阻分别为650欧姆(ohm)10和1400欧姆。这样就可以将RP和RAP分别视为0和1来存储数据。相反，若想读取存储在MTJ的数据，则要测量MTJ的电阻状态。
此时如果想存储数据，就要改变MTJ自由层的磁化方向。早期的MRAM采用的方式是，使电流流过数位线并利用由此产生的磁场改变自由层的磁化方向。然而，随着芯片集成度不断提高，出现读取相邻存储单元数据的干扰现象，加之，改变磁化方向会使耗电量增加，因此采用这种方式最多只能达到64KB。
10 欧姆为电阻单位，1欧姆是指横截面积为1平方毫米、长度为106厘米的水银柱的电阻值。
自旋转移矩MRAM（STT-MRAM）技术的原理和优缺点
克服MRAM致命缺点的是“自旋转移矩磁随机存取存储器（Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory，简称 STT-MRAM）技术。传统MRAM的方式是使电流流过数位线并利用由此产生的磁场改变自由层的磁化方向，而STT-MRAM采用使电流直接流过MTJ的方法来改变自由层的磁化方向，这被称为“自旋转移矩（Spin Transfer Torque，简称 STT）”。
当电流沿着从固定层向自由层的方向流过MTJ时，传导电子11在通过固定层的过程中，受磁交换耦合能量12的影响，传导电子的自旋方向会沿着固定层的自旋方向（上图中的箭头方向）排列。自旋沿着一个方向排列的电流称为自旋极化电流（Spin-Polarized Current）。
当自旋极化电流进入自由层时，沿着自由层的磁化方向（上图中的斜线箭头）排列的自由层内自旋电子和以沿着固定层磁化方向（上图中的垂直箭头）排列的状态流入的传导电子之间因产生相互作用，导致传导电子在通过自由层前和后的自旋方向不同。
自旋方向改变时所花费的时间被称为“转矩（Torque）”。自旋极化的传导电子流入自由层后施加一定或更大的力矩时，可以将自由层的磁化方向改变为与固定层相同的方向，并以这种方式存储信息。当两铁磁层的磁化方向以相互平行的方向排列时，该元件的电阻就会变小。
若想删除所存储的信息，要把磁化方向从平行改为反平行。为此，要反过来让电子从自由层流向固定层。如上图右侧所示，当传导电子从自由层流向固定层时，与固定层的磁化方向相同的自旋电子通过固定层，方向不同的电子则被反射重新流入自由层。这些电子会以与自由层的磁化方向相反的方向施加转矩，翻转自由层的磁化方向，从而使两铁磁层的磁化方向反平行排列。此时，元件的电阻会升高。
在STT-MRAM施加电流（在电路端子之间施加电源电压的行为）时MTJ的电阻变化
上图指的是使电流流过STT-MRAM的MTJ来改变自由层磁化方向时所测得的磁电阻值。RP为650欧姆，RAP为1400欧姆，这与使电流流过数位线而产生磁场的传统MRAM方法所得的测量值相同。
若想读取存储在STT-MRAM的数据，和MRAM一样，需测量MTJ的电阻。STT-MRAM和MRAM的唯一区别是施加电流后记录信息的方法。然而，STT-MRAM彻底解决了MRAM的缺点——集成度的限制和相邻存储单元数据的干扰现象，被视为实现下一代非易失性存储器的关键技术。
11 传导电子是不与任何特定原子结合并能自由移动的电子。
12 磁交换耦合能量是指相邻自旋之间的磁相互作用产生的能量。当自旋方向与相邻自旋方向相同时，能量较低。
自旋轨道矩MRAM（SOT-MRAM）技术的原理和优缺点
当电流通过一个位于磁场中的导体时，垂直于电流和磁场的方向会产生电压，这一现象就是“霍尔效应（Hall Effect）”。“自旋霍尔效应（Spin Hall Effect）”是指不施加外磁场的情况下，在具有较强自旋轨道相互作用（Spin-orbit Interaction，简称 SOI）的材料中出现霍尔效应的现象。
当对钽（Ta）、钨（W）和铂（Pt）等自旋轨道相互作用较强的材料施加垂直方向的电流时，传导电子被分离成自旋向上（上图中左侧）的电子和自旋向下（上图中右侧）的电子，而且会产生由自旋向上电子流向自旋向下电子的垂直方向自旋电流。此时，可以利用自旋电流来改变MTJ自由层的磁化方向，采用这种方法的存储器称为自旋轨道矩MRAM（SOT-MRAM）。
MRAM、STT-MRAM和SOT-MRAM的电路结构对比
有别于电流直接垂直施加到MTJ的STT-MRAM，SOT-MRAM采用的方法是，向MTJ存储单元底部自旋轨道相互作用较强的材料层施加水平方向的电流，让因自旋霍尔效应而垂直极化的自旋电流改变自由层的磁化方向。
尤其是，与STT-MRAM相比，SOT-MRAM产生更多具有相同自旋状态的传导电子，并将其注入到铁磁层。这样转矩会更强大，更容易翻转自由层的磁化方向，因此处理速度更快，功耗更低。
各种存储半导体编程1比特（bit）时所功耗的能量对比
假设使用90nm工艺，普通的MRAM使用120pJ13能量，而STT-MRAM仅消耗0.4pJ能量。若使用线宽小于90nm的工艺，两种技术的差距会更大。STT-MRAM的低功耗特性在能源效率方面具有十分重要的意义。不仅如此，SOT-MRAM的功耗约为STT-MRAM的十分之一，功耗还有望进一步降低。
在目前的冯·诺依曼计算机体系结构中，处理器的运行速度（0.1ns14）和主存储器（10-100ns）及存储内存（0.1-10ms15）的运行速度之间存在差距。为了确保下一代存储器技术能够覆盖从高速缓冲存储器（Cache）16到主存储器的广泛领域，需要1-10ns的运行速度。在目前可用于下一代存储半导体的技术中，STT-MRAM（10ns）和SOT-MRAM（1-10ns）唯一能满足这一要求。其中，SOT-MRAM的功耗最低，有望成为下一代存储器技术的新宠儿。
13 J（焦耳）是能量单位，1焦耳能量相等于1牛顿力的作用点在力的方向上移动1米距离所做的功。pJ全称picojoule（皮焦耳），等于万亿分之一焦耳。
14 ns是纳秒的英文nanosecond的缩写，时间单位，1纳秒等于十亿分之一秒。
15 ms是微妙的英文microsecond的缩写，时间单位，1微秒等于百万分之一秒。
16 高速缓冲存储器（Cache）是一种高速存储装置，以缓冲器的形式安装在主存储器和中央处理机（CPU）之间，用来临时存储读入主存储器的命令或程序。
張畯然 撰写
韩国科学技术研究院（KIST）下一代半导体研究所所长
