SOT-MRAM技术重大突破：实现1纳秒数据切换与10年以上持久存储

当前，非易失性存储技术正处于迅猛发展的阶段。随着人工智能、自动驾驶、物联网等创新应用的快速崛起，传统存储架构在响应速度、能源消耗和运行稳定性方面遭遇了前所未有的多重考验。

为了同时达成“高速”“节能”与“可靠”的目标，各类新兴存储器（例如ReRAM、PCM、FeRAM、MRAM等）陆续进入研发与实用化验证环节，试图在“后DRAM时代”中占据领先地位。在此背景下，磁阻随机存取存储器（MRAM）凭借其高速读写、低功耗以及非易失性等综合优势，被业界视为未来通用存储解决方案的重要候选之一。

据最新报道，来自中国台湾国立阳明交通大学、台积电及工业技术研究院等机构的国际联合研究团队，在MRAM领域实现了里程碑式的进展。他们成功研制出一种基于β相钨材料的自旋轨道力矩磁阻随机存取存储器（SOT-MRAM），达成了卓越的性能参数：仅需1纳秒即可完成数据写入与擦除，信息保存期限超过10年，同时隧穿磁阻比率高达146%。这项发表于《自然电子学》（Nature Electronics）的重要成果，为未来高速、低功耗存储技术的规模化商用奠定了坚实基础。

存储技术的变革需求

现今的计算系统普遍依赖于由SRAM、DRAM和闪存构成的存储层次结构。然而，随着半导体工艺节点突破10纳米大关，这些基于电荷存储的传统技术正面临严峻挑战：可扩展性受限、性能提升遇到瓶颈、读写干扰问题日益突出、可靠性逐步下降。特别是在人工智能和边缘计算迅猛发展的今天，对存储器提出了更高要求——既需要具备DRAM的快速响应能力，又需拥有闪存的断电数据保存特性，同时还要显著降低整体功耗。

在这一趋势下，各种新型非易失性存储技术应运而生。除了SOT-MRAM，还包括自旋转移矩磁性随机存取存储器（STT-MRAM）、相变存储器（PCM）、电阻式随机存取存储器（RRAM）和铁电随机存取存储器（FeRAM）等。这些技术均具备非易失性、低延迟、低功耗的特点，并且能够与现有CMOS半导体制造工艺相兼容，为构建新型计算架构提供了更多可能性。

性能对比显示，DRAM的访问延迟约为14毫秒，3D TLC NAND闪存的读取延迟在50至100微秒之间，而新型SOT-MRAM的写入速度达到了1纳秒级别，几乎可与SRAM相匹敌，同时还保留了非易失性的核心优点——这意味着即使在断电情况下，存储的数据也不会丢失。

SOT-MRAM的独特优势

SOT-MRAM之所以备受瞩目，源于其独特的工作原理和技术特性。它利用具有强自旋轨道耦合效应的材料产生自旋轨道力矩（SOT），驱动磁性隧道结内纳米磁体的磁化方向翻转，从而完成数据的写入与擦除操作。

与其他存储技术相比，SOT-MRAM拥有三大核心优势：

• 高速写入：借助自旋轨道力矩效应，可在纳秒级时间尺度内完成磁化翻转，这比传统基于磁场的写入方式快得多。
• 高能效：其三端结构设计将读取与写入电流路径完全分开，有效规避了STT-MRAM所面临的耐久性问题和磁性隧道结电阻限制，显著降低了操作能耗。
• 高可靠性：由于读写操作相互独立，器件的耐久性得到大幅提升，可支持更多次的读写循环，同时长期数据保存能力非常出色。

正是这些优势，使得SOT-MRAM有望取代高速缓存级别的SRAM，成为新一代计算系统的关键存储部件。

攻克关键技术难题

尽管SOT-MRAM在理论上优势明显，但要实现产业化应用，必须解决一个关键的技术瓶颈：自旋轨道耦合材料的热稳定性问题。

钨因其强自旋轨道耦合特性，被认为是SOT-MRAM的理想材料。特别是稳定在A15结构（β相）的钨，其自旋霍尔角可达-0.4至-0.6，具有出色的自旋轨道力矩效率。然而，β相钨属于亚稳态，在半导体制造过程中常见的热处理条件下（通常需要在400°C下持续数小时），会转变为热力学稳定的α相钨。这种相变是致命的——α相钨的自旋霍尔角仅约-0.01，自旋轨道力矩翻转效率急剧下降，导致器件性能严重退化。

研究团队的突破性解决方案是：在钨层中插入超薄的钴层，形成一种复合结构。具体而言，他们将6.6纳米厚的钨层分割为四段，每段之间插入仅0.14纳米厚的钴层——这个厚度小于钴的单原子层，因此钴呈不连续分布。这种精巧设计起到了双重作用：钴层作为扩散阻挡层，抑制了钨层内的原子扩散；同时，钴与钨之间的混合效应消耗了热预算，从而有效延缓了相变的发生。

实验验证结果令人振奋：这种复合钨结构可以在400°C高温下维持物相稳定长达10小时，甚至能耐受700°C高温30分钟，而传统单层钨在400°C下仅退火10分钟就发生了相变。通过透射电子显微镜、X射线衍射以及台湾光子源的纳米衍射测试，研究人员确认了β相钨的稳定性。

更重要的是，这种复合结构不仅解决了热稳定性难题，还保持了优异的自旋转换效率。通过自旋扭矩铁磁共振和谐波霍尔电阻测量，团队测得复合钨薄膜的自旋霍尔电导率约为4500 Ω⁻¹·cm⁻¹，阻尼类扭矩效率约为0.61，这些参数确保了高效的磁化翻转性能。

性能全面验证

理论上的突破，需要通过实际器件验证才能真正体现价值。研究团队基于复合钨薄膜方案，成功制备出64千位SOT-MRAM原型阵列，并在接近实际应用的条件下完成了全面的性能测试与评估。

在切换速度方面，器件实现了1纳秒级的自旋轨道力矩翻转速度，性能几乎可与SRAM相媲美，远超DRAM与闪存。对8000个器件的统计测试显示，其翻转行为高度一致，在长脉冲（10纳秒）条件下的本征翻转电流密度仅为34.1兆安/平方厘米，展现出优异的稳定性与重复性。

数据保持能力同样出色。根据累积分布函数（CDF）估算，器件的热稳定性参数Δ约为116，这意味着其数据保持时间可超过10年，完全满足非易失性存储的严格要求。

在隧穿磁阻比（TMR）测试中，器件取得了高达146%的TMR值，这表明MgO与Co₄₀Fe₄₀B₂₀之间形成了高质量界面，为稳定读取裕量和可靠工艺窗口提供了有力保障。

在能耗控制方面，三端结构设计实现了读写操作的完全独立，从根本上降低了能耗，使其尤其适用于对功耗敏感的边缘计算、移动终端等应用场景。

此外，得益于台积电科研团队的参与，整个设计从立项之初就面向现有半导体后端工艺进行优化，确保了出色的工艺兼容性，为未来的大规模量产铺平了道路。

值得一提的是，研究团队还实现了无外加磁场的X型翻转。这一成果得益于复合钨材料中的对称性破缺效应，不仅进一步简化了器件结构，也提升了集成度和设计灵活性，为SOT-MRAM的工程化应用开辟了新方向。

开启存储技术新纪元

这项研究的意义远不止于实验室的技术突破，它为整个存储产业的发展指明了新方向。与许多仍停留在概念验证阶段的新型存储技术不同，基于复合钨的SOT-MRAM从设计之初就充分考虑了工艺兼容性和可制造性。研究团队已成功制备出64千位阵列，并计划进一步扩展至兆比特（Mb）级集成，同时将写入能耗降至每比特亚皮焦级别。

在人工智能和边缘计算场景中，SOT-MRAM也展现出独特优势。AI训练与推理过程中的高频数据访问是能耗的主要来源，而SOT-MRAM凭借高速、非易失和低功耗的特性，可作为AI加速器的片上缓存，显著降低系统能耗。在边缘设备中，其非易失性意味着设备可快速启停而不丢失数据，对电池供电的物联网终端尤为有利。

同时，SOT-MRAM的出现或将推动存储层级体系的重构。传统的“SRAM缓存—DRAM主存—闪存外存”三级架构可能迎来变革，SOT-MRAM有望填补SRAM与DRAM之间的性能空白，甚至在部分应用中取代其中一者，从而简化架构、提升系统效率。

在材料科学层面，研究中提出的“复合层稳定亚稳态相”策略不仅适用于钨，也为其他功能材料的相稳定性研究提供了新的思路。团队计划进一步探索新型氧化物与二维界面材料，以提升整体性能与可靠性。

更为深远的是，这项突破或将推动计算架构创新。高速、低功耗的SOT-MRAM让“存算一体”（In-Memory Computing）等新型架构更加可行，为突破传统冯·诺依曼结构的“存储墙”瓶颈提供了新的路径。

结语

目前来看，基于复合钨的SOT-MRAM，通过巧妙的材料设计解决了β相钨的热稳定性难题，实现了纳秒级切换与超长数据保持的完美结合。这不仅是一项重要的学术成果，更是为下一代计算系统准备的核心技术储备。

对于研究团队来说，他们的目标不仅是展示优异的实验室性能，更要通过系统级验证，展示MRAM如何在实际应用中显著降低整体功耗，推动AI、边缘计算和移动设备的技术革新。随着从千位级向兆位级集成的推进，我们有理由期待，这种新型存储器将在不久的将来走进我们的智能设备，开启存储技术的新纪元。