东北大学大幅降低写入SOT-MRAM的功耗

2025年5月，东北大学创新集成电子系统中心（CIES）主任远藤哲郎领导的团队宣布，在保持自旋轨道扭矩磁随机存取存储器（SOT-MRAM）的高速数据写入性能等特性的同时，成功将所需的写入功率与传统方法相比降低了35％。

SOT-MRAM是一种基于自旋轨道扭矩效应的新型非易失性存储技术。与传统的存储器相比，SOT-MRAM具有更低的功耗、更高的密度和更快的响应速度，被认为是存储技术领域的一大创新。这项研究在国际电子元件会议（IEDM）同时发表论文。中国台湾经济部门表示，随着人工智能、5G、AIoT时代来临，更快、功耗更低的新世代存储芯片成为关键。

SOT-MRAM技术具有多项突出特点。首先，其低功耗特性使得在不影响性能的情况下能够大幅降低能源消耗。其次，SOT-MRAM的高密度存储能力使得在有限的空间内存储更多的数据成为可能。此外，快速响应的特性也使得数据读取和写入更加高效，为数据存储提供了全新的解决方案。

日本东北大学教授 Hideo Ohno 和教授 Shunsuke Fukami 领导的研究小组此前已开发出一种自旋轨道扭矩 (SOT) 存储元件，该元件利用 SOT 的磁化反转效应，在高速运行中非常有效。然而，原有的SOT存储元件存在“耐热性低，无法与CMOS集成”、“热稳定性差，无法保存数据10年”等问题。

为此，CIES开始研发可耐400°C高温的材料工艺和热稳定性优异的SOT存储器。具体来说，2019年该公司开发了结合55nm代CMOS技术的SOT-MRAM技术。倾斜结构SOT存储元件实现了能够存储10年数据的热稳定性和0.35纳秒的高速写入操作。 2020年，该团队利用这种倾斜结构SOT存储元件制作了SOT-MRAM芯片的原型，并成功演示了双端口操作。另一方面，存在“写入操作期间功耗高”的问题。

STT-MRAM 单元和 SOT-MRAM 单元图像。来源：东北大学

最新的SOT存储元件技术。中心是一个倾斜结构的SOT存储元件。来源：东北大学

此次，研究人员利用采用300毫米晶圆的CMOS集成电路技术，开发出一种SOT存储元件，在保持以往性能的同时，降低了写入操作时的功耗。进行了设备模拟，以确定最佳写入功率效率的条件，该条件涉及由安装在 SOT 存储元件上的磁隧道结 (MTJ) 的堆叠结构和椭圆 MTJ 的倾斜角控制的晶体磁致伸缩性。

基于模拟结果，东北大学使用迄今为止开发的 SOT-MRAM 技术制作了原型 SOT 存储元件，并评估了其特性。结果，通过优化MTJ堆叠结构并将倾斜角设置为75度，可以在没有外部磁场的环境下保持10年数据保持特性（热稳定性E/kBT=70）和0.35纳秒的数据写入性能，同时将写入操作的功耗降低至156飞焦耳。与传统方法相比，这减少了 35%。

MTJ 倾斜角对 SOT 存储元件中 0.35 纳秒写入操作能量的依赖性。来源：东北大学

与之前公布的技术特性比较。来源：东北大学

在人工智能芯片中，SOT-MRAM 可用于存储神经网络模型和数据。其高速读写特性有助于加快数据的访问和处理速度，提高神经网络的训练和推理效率，降低延迟，对于 AI 绘画、AI 写作等需要快速数据处理的应用场景非常关键。数据中心存储着大量的数据，对存储设备的能耗和性能有很高要求。SOT-MRAM 的低功耗特性可有效降低数据中心的能耗成本，同时其非易失性和高速读写能力能保证数据的快速存储和访问，满足大数据处理的需求。

SOT-MRAM 的低功耗特性可延长移动设备的电池续航时间，其高速读写能力能使设备更快地启动应用程序、加载数据，提升用户体验，还可用于存储设备的系统文件和用户数据，确保在设备意外断电时数据不丢失。

汽车发动机控制模块需要存储大量的运行数据和控制参数。SOT-MRAM 的非易失性可确保在发动机熄火或车辆断电时数据不丢失，其高可靠性和抗干扰性能保证在复杂的汽车电磁环境中稳定工作。

在物联网的边缘计算场景中，需要对采集到的数据进行实时处理和分析。SOT-MRAM 可作为边缘计算设备的存储介质，提供高速的数据存储和访问能力，支持边缘计算设备快速处理数据，减少数据传输到云端的延迟。