新型磁信息写入技术，可提高MRAM的容量

2026年4月，日本产业技术综合研究所（AIST）宣布，已开发出一种新型磁信息写入技术，可用于制造更高容量的电压驱动型磁随机存取存储器（MRAM），并已通过实验验证了该技术的有效性。这种名为“电压诱导静态磁化反转法”的写入方法，能够在较宽的脉冲宽度范围内稳定地写入磁信息。

目前的磁阻随机存取存储器（MRAM）采用电流写入信息。这种方法需要较大的电流才能稳定地控制信息，导致功耗增加，这是一个难题。另一方面，电压驱动型MRAM利用电压写入信息，功耗较低，但其采用的“电压诱导动态磁化反转法”（VCMA）利用电压磁各向异性控制效应，如果写入电压的脉冲宽度发生变化，有时会导致写入错误。

在传统的电压驱动型MRAM中，写入电压脉冲宽度的变化会增加写入错误率。来源：AIST（日本产业技术综合研究所）

该研究小组开发了一种利用电压控制铁磁薄膜磁各向异性的技术，其采用的是一种“人工反铁磁体”，该反铁磁体由夹在两层铁磁薄膜之间的非磁性薄膜构成。在所开发的“电压诱导静态磁化反转法”中，通过界面控制，对自发形成垂直于薄膜表面磁化的磁性薄膜施加电压，从而反转垂直磁化方向，写入磁信息。

以往，厚度约为1 nm的单层铁磁材料一直被用作铁磁层（存储层）。然而，这次采用了“人工反铁磁材料”。当耦合能为负值时，两个磁化方向反平行，形成人工反铁磁材料。研究发现，通过绝缘层向这种人工反铁磁材料施加电压，可以改变层间磁耦合强度，从而在固定磁场下控制磁化构型。

此外，实验证实，当写入电压为零时，该器件可以取两个不同的值，具体取决于写入电压的符号。这意味着无需像传统方法那样预先检查磁化状态（传统方法只能使用一种符号的写入电压）。

所开发的电压控制元件的概念图及电压写入操作示例。来源：AIST（日本产业技术综合研究所）

实验中，采用数十纳秒的长脉冲宽度评估了写入性能。电压脉冲宽度设置为75纳秒，通过交替施加正负电压脉冲，研究了铁磁薄膜中磁化强度的变化。结果表明，利用电压脉冲可以高重复性地控制磁化强度。

此外，通过改变电压脉冲宽度测量了磁化强度的变化量。结果表明，即使器件尺寸小至10 μm，也能实现50纳秒的高速写入。同时发现，即使电压脉冲宽度超过50纳秒，磁化强度也能得到稳定控制。研究表明，如果将器件尺寸缩小至100 nm或更小，即使使用约1纳秒的电压脉冲也能实现写入。此外，研究还发现，铁磁层中具有更大“磁摩擦（磁弛豫）”的材料能够实现更快的写入速度。

利用电压诱导静态磁化反转法控制磁化强度时，写入电压的脉冲宽度依赖性。来源：AIST

MRAM发展已有很长的历史，在IoT嵌入式存储领域拥有诸多应用，近年来基于自旋矩转移的STT MRAM成为了主流，同时第三代的SOT MRAM正在逐渐产业化。工业领域，应用需要具有非常快的写入能力，且需要非易失性存储，但NAND、NOR和 EEPROM写入慢，耗电多，还要额外搭配电池的SRAM，此时MRAM的优势就体现出来了。边缘计算旨在源头处处理数据，而非将其传输至集中式数据中心，从而降低延迟和带宽需求，特别适用于对实时决策有要求的人工智能和机器学习应用。得益于MRAM在断电状态下仍能保存数据，它为边缘计算设备提供了可靠且持久的存储，确保关键数据在电力中断时不会丢失。

此外，MRAM的应用潜力远超人工智能和机器学习领域。其独特的速度、耐用性和非挥发性相结合，使其成为数据中心、汽车系统和消费电子产品等广泛应用的理想之选。随着MRAM技术的不断成熟和更广泛的应用，预计它将在塑造各行业未来计算方面发挥关键作用。