由于存儲器制程比較簡單，存儲單元均可快速被復制，可以幫助先進制程工藝快速提升良率。所以，在過去很長的一段時間內，存儲器都扮演著肯為先進制程工藝成為“吃螃蟹的人”。但是，伴隨著先進制程工藝進入到65nm以后，相當一部分先進制程工藝的廠商已經積累了足夠的經驗，可以跳躍過存儲器的驗證，直接將先進制程用于邏輯產品。

與此同時，伴隨著AI、物聯網等領域的興起，使得大數據的應用越來越廣泛，這些新興領域在不斷催促著存儲器追趕先進制程的腳步。目前，各大存儲器大廠都在升級20nm制程，其中，DRAM、閃存和 SRAM 等傳統內存仍然是市場上的主力技術。

在這個過程中，傳統存儲技術遇到了不少困難。其中，DRAM采用持續微縮的單元設計需要引入多重圖案化技術，并最終在批量制造中需要采用EUV光刻技術，而我們都知道EUV技術現在還沒有能夠大規模應用。同樣，平面 NAND也曾面臨微縮的限制，最終采取垂直方向上的轉變，也就是現在市場上非常流行的3D NAND技術。

傳統存儲技術面臨著挑戰，也催生了新技術的出現。在這種情況下，MRAM出現了。MRAM擁有靜態隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動態隨機存儲器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復寫入。也就是說，MRAM能夠將存儲器的密度與SRAM的速度相結合，同時具有非易失性和高功效。

MRAM技術始于1984年，當時Albert Fert和PeterGrünberg發現了GMR效應。 在20世紀80年代中期，支持者認為MRAM最終將超越競爭技術，成為占主導地位甚至是通用的存儲器。1996年，自旋轉移力矩被提了出來，這個發現使磁隧道結或自旋閥能夠被自旋極化電流修改。基于這一點，摩托羅拉開始了他們的MRAM研究。一年后，摩托羅拉開發出一種256Kb的MRAM測試芯片。這使得MRAM技術開始走向產品化，隨后在2002年，摩托羅拉被授予 Toggle專利。這也是第一代MRAM，即Toggle MRAM。但是，由于第一代MRAM在先進的工藝節點下耗能太高，使得MRAM的發展遇到瓶頸。

2004年，摩托羅拉將其半導體業務獨立出來，成立了飛思卡爾半導體。2006年7月，飛思卡爾開始銷售世界上第一款商用MRAM芯片。這些芯片的容量低至4Mbit，價格定在25美元。與此同時，MRAM已經開始受到了其他廠商的關注，英飛凌、臺積電、東芝、瑞薩等等企業也開始了MRAM方面的研究。MRAM技術也得以向第二代發展，目前，主流的研究主要是TAS-MRAM和STT-MRAM。

其中之一，第二代MRAM器件使用自旋極化電流來切換電子自旋，也就是STT-MRAM。2005年，瑞薩科技與Grandis合作開發了65nm的STT-MRAM。與MRAM相比，STT-MRAM器件更快，更高效且更容易縮小。與傳統內存技術相比，STT-MRAM器件不僅能兼顧MRAM的性能，還能夠滿足低電流的同時并降低成本。

基于以上優勢，STT-MRAM被視為是可以挑戰DRAM和SRAM的高性能存儲器，并有可能成為領先的存儲技術。尤其是在40nm以下工藝節點上，NOR開始暴露出很多問題，STT-MRAM被寄予厚望。市場認為，STT-MRAM不僅在40nm節點下可以被利用，甚至可以擴展到10nm以下應用。更值得注意的是，STT-MRAM可基于現有的CMOS制造技術和工藝發展，在技術上進行接力的難度相對較小，從而，可以直接挑戰閃存的低成本。

理想很豐滿，現實很骨感。隨著技術規模的縮小，STT-MRAM遭受嚴重的工藝變化和熱波動，這極大地降低了STT-MRAM的性能和穩定性。對于大多數商業應用來說，STT-MRAM的道路依舊充滿艱難險阻。

從結構上看，STT-MRAM存儲單元的核心是一個MTJ，也就是STT-MRAM是通過MTJ來存儲數據。通常情況下，MTJ是由兩層不同厚度的鐵磁層及一層幾個納米厚的非磁性隔離層組成，它是是通過自旋電流實現信息寫入的。寫入信息時需要較大的電流產生磁場使?MTJ?自由層磁矩發生反轉。隨著存儲單元的尺寸減小，需要更大的自由層磁矩反轉磁場，因此也需要更大的電流。但是，大電流不僅增加了功耗，也使得變換速度減慢，限制了存儲單元寫入信息的速度。

在CSTIC 2019上，就有專家提及，目前STT-MRAM的挑戰主要存在于需要更大的寫入電流、MTJ的縮放，以及如何降低誤碼率，這三者之間的平衡。

挑戰同時代表著機遇，STT-MRAM對各大廠商的吸引力不減。2008年，飛思卡爾將其MRAM業務獨立出來，成立了EverSpin Technologies。2014年，Everspin與Global Foundries合作，在300毫米晶圓上生產面內和垂直MTJ ST-MRAM，采用40納米和28納米節點工藝。2017年，Everspin號稱是唯一出貨商用MRAM產品的公司，由此也可以看出Everspin在此方面的優勢。2018年，Everspin還是與Global Foundries合作，推出了全球首個28 nm 1 Gb STT-MRAM客戶樣品。但我們都知道，Global Foundries已經停止了7nm以下先進制程的投入，著力14/12納米FinFET。而市場上對 STT-MRAM的預期卻沒有止步于12nm。接下來，EverSpin將會選擇與哪家代工廠合作？

再次回到十年前，海力士半導體和Grandis的合作伙伴關系也始于2008年，他們之間的合作意在探索STT-MRAM技術的商業開發。

而在上文當中，我們曾敘述，瑞薩也曾與Grandis展開STT-MRAM相關合作，而海力士的合作伙伴同樣也是選擇了Grandis。Grandis是否能夠憑借新興技術在存儲領域獲得一席之地？據悉，Grandis成立于2002年，發明了第一個基于磁隧道結的自旋轉移扭矩薄膜結構，并迅速成為STT-RAM領域的領導者。2011年，Grandis被三星電子有限公司收購，并合并到三星的內存業務中。三星也因此開始踏足STT-MRAM。2018年，三星電子的晶圓代工論壇期間，公司重申了其在2018年開始生產STT-MRAM芯片的目標。三星表示真正的STT-MRAM大規模生產將始于2019年。

除了Grandis，IBM也是STT-MRAM的先驅，與英飛凌和三星合作。2016年，IBM和三星研究人員就展示了11納米級STT-MRAM。2018年，IBM展示了他們的FlashCore NVMe SSD，它提供了19 TB的閃存存儲，并使用Everspin的5-256Mb STT-MRAM芯片進行寫入緩存和日志記錄。

除上文提到的Global Foundries和三星外，根據CSTIC 2019期間，Yole的調查報告顯示，包括臺積電、英特爾、聯電在內的頂級晶圓廠都準備好了將28/22nm嵌入式STT-MRAM用于微控制器。

2019年2月，在英國國際固態電路會議上，英特爾透露STT-MRAM技術已準備好進行批量生產。據報道，該公司預計將使用22nm FinFET工藝來制造存儲芯片。

2000年，臺積電就和臺工研院合作投入MRAM等次世代內存研發。2011年，高通公司在VLSI電路研討會上也展示了采用臺積電 45納米LP技術制造的1 Mbit嵌入式STT-MRAM 。由于成本的原因，臺積電放棄過MRAM。但是，在2017年中，臺積電重返內存市場瞄準MRAM和RRAM。據DIGITIMES預測，2019年臺積電的STT-MRAM極有可能量產出貨。

同樣，2018年，聯電和Avalanche Technology宣布，他們已經聯合開發和生產28nm MRAM，以取代嵌入式閃存。聯電還將通過Avalanche Technology Inc.的許可向其他公司提供此技術。

在大陸方面，2016年兆易創新斥資500萬美元入股Everspin。2017年北京航空航天大學與中國科學院微電子研究所聯合成功制備國內首個80nm STT-MRAM器件。微電子所集成電路先導工藝研發中心研究員趙超與北京航空航天大學教授趙巍勝的聯合團隊在STT-MRAM關鍵工藝技術研究上實現了重要突破，在國內首次采用可兼容CMOS工藝成功制備出直徑80nm的磁隧道結，器件性能良好，其中器件核心參數包括隧穿磁阻效應達到92%。

上海磁宇是國內第一家MRAM產品研發制造公司，擁有國內唯一的完整PSTT-MRAM材料薄膜制造設備和測試設備，及在建中12吋專用芯片制造的中試線，將用于第三和四代技術的MRAM記憶芯片的開發及量產。其團隊成員來自于 Everspin 和 TDK，且同時投入獨立式（standalone）和嵌入式（embedded）兩種技術和市場策略。

浙江海康馳拓專注 MRAM 存儲技術發展，團隊來自高通（Qualcomm）、西部數據等眾多半導體國際大廠，目前基于芯片設計和工藝設計兩塊投入研發，可提供 STT-MRAM 技術的不同設備。

而從上面的情況來看，各大晶圓廠紛紛在2019年布局STT-MRAM量產計劃，并開始逐漸走向28nm以下的產品。但大陸方面還在40nm以上的STT-MRAM掙扎，并沒有太大的優勢。STT-MRAM的出現，使得國際廠商將目光從NOR上轉移。同樣，在前不久結束的semicon 2019存儲器論壇上，也有一種聲音出現：NOR技術想要全面取代STT-MRAM還需要一段時間，這個時間差，為大陸方面發展NOR提供了機會。