研究背景
存儲器是計算機體系結構中的重要組成部分，對計算機的速度、集成度和功耗等都有決定性的影響。然而，目前的存儲器難以同時兼顧各項性能指標，例如，硬碟的存儲容量較高，但訪問速度極慢(通常為微秒級)。快取則相反，具有高速和低集成度的特點。為充分發揮各類存儲器的優勢，典型的計算機存儲系統採用圖1所示的分級結構，一方面，頻繁使用的指令與數據存於快取和主存中，能夠以較快的速度與中央處理器互動；另一方面，大量非頻繁使用的系統程式與文檔資料被存於高密度的硬碟(HDD或SSD)中。這樣的分級結構使存儲系統兼具高速和大容量的優點，但是，隨著半導體工藝特徵尺寸的不斷縮小，傳統的基於互補金屬氧化物半導體工藝的快取和主存遭遇了性能瓶頸。在功耗方面，由於CMOS電晶體的漏電流隨著工藝尺寸的減小而增大，因此，SRAM和DRAM的靜態功耗日益加劇；在速度方面，處理器與存儲器的互連延遲限制了系統的主頻。解決該問題的一個有效途徑是構建非易失性的快取和主存，使系統可工作於休眠模式而不丟失數據，從而消除漏電流和靜態功耗，而且非易失性存儲器可通過後道工藝直接集成於CMOS電路上，減小了互連延遲。在目前諸多的非易失性存儲器中，以Flash的技術最為成熟，但Flash因寫入速度慢(毫秒)、可擦寫次數有限等缺點而無法達到快取和主存的性能要求。其他的候選有可變電阻式存儲器、相變存儲器和自旋轉移矩磁性隨機存儲器等。
基本存儲單元
磁隧道結的核心部分是由兩個鐵磁金屬層夾著一個隧穿勢壘層而形成的三明治結構，如圖2所示。其中一個鐵磁層被稱為參考層或固定層，它的磁化沿易磁化軸方向(Easy-Axis)固定不變。另一個鐵磁層被稱為自由層(FreeLayer)，它的磁化有兩個穩定的取向，分別與參考層平行或反平行，這將使磁隧道結處於低阻態或高阻態，該現象被稱為隧穿磁阻效應。兩個阻態可分別代表二進制數據“0”和“1”，是MRAM存儲的基本原理。
隧穿磁阻效應可以用自旋相關隧穿理論予以解釋，如圖所示，對於鐵磁金屬，自旋向上(Spin-Up)和自旋向下(Spin-Down)的電子態在費米能級附近分布不均衡，其程度可用自旋極化率表示。當參考層與自由層磁化方向一致時，兩層鐵磁材料中處於多數態的電子自旋方向相同，隧穿機率較高，隧穿電流較大，磁隧道結呈現低阻態；反之，磁隧道結呈現高阻態。因此，隧穿磁阻效應的大小與自旋極化率密切相關。
寫入方式
寫入操作通過磁隧道結中自由層的磁化翻轉來實現。早期的MRAM直接採用磁場寫入方式，其電路結構如圖所示，磁隧道結置於字線（Digit Line）和位線（Bit Line）的交叉處，字線和位線分別沿著自由層的難磁化軸（Hard-Axis）和易磁化軸（Easy-Axis）方向。寫入時，被選中的磁隧道結的字線和位線分別通入電流以產生互相垂直的兩個磁場，它們的大小均不足以使自由層完成磁化翻轉，但二者能夠將彼此方向上的矯頑場（Coercive Field）大小降低至所產生的磁場以下，因此，只有交叉處的磁隧道結能夠完成狀態的寫入。這種寫入方式要求位線（或字線）產生的磁場足夠大以至於能夠有效地減小字線方向上（或位線方向上）的矯頑場，但同時也要足夠小以避免同一條位線（或字線）上的其餘磁隧道結被誤寫入（半選干擾問題，Half-Selectivity Disturbance），由於工藝偏差的存在，所允許寫入的磁場範圍非常有限。
為解決此問題，Freescale的工程師提出一種被稱為Toggle的改進型磁場寫入方式，基於這種寫入方式的磁隧道結採用合成反鐵磁結構（Synthetic Antiferromagnet，SAF）的自由層，如圖所示，若將自由層的難（易）磁化軸與寫入磁場呈45°放置，如圖所示，則單獨的一個寫入磁場無法使自由層完成磁化翻轉，從而避免了“半選干擾”問題，也擴展了寫入磁場的可操作範圍。基於這種Toggle寫入方式，Freescale成功推出第一款4Mb的MRAM商用產品。除了Toggle寫入方式之外，學術界還曾提出利用熱輔助以改善MRAM的寫入性能。圖展示了法國Spintec實驗室提出的TAS-MRAM器件結構，在鐵磁層上加入反鐵磁層，形成交換偏置作用。寫入時，首先在磁隧道結通入電流，將器件加熱至反鐵磁層的轉變溫度之上，同時施加寫入磁場，然後將器件冷卻，在交換偏置的作用下，自由層的磁化被翻轉並穩定在與外加磁場相同的方向。這種寫入方式只需要一個外加磁場，能夠解決半選干擾問題，功耗和可靠性都有所改善。
固有缺陷
磁場寫入方式存在著3個固有缺陷:
（1）需要毫安級的寫入電流，功耗較高;
（2）隨著工藝尺寸的減小，寫入電流將急劇增大，難以在納米級磁隧道結中推廣套用;
（3）需要較長的載流金屬線產生磁場，電路設計複雜度較高。這些缺點限制了MRAM的套用前景，因此，以純電學方式完成磁化翻轉，成為當時MRAM研究人員追求的重要目標。
STT-MRAM
STT-MRAM在速度、面積、寫入次數和功耗方面能夠達到較好的折中，因此被業界認為是構建下一代非易失性快取和主存的理想器件。STT-MRAM的套用前景並不局限於傳統的計算機存儲體系，還能夠擴展到其他諸多領域，甚至有望成為通用存儲器。例如，寶馬公司在發動機控制模組採用MRAM以保證數據在斷電情況下不丟失。鑒於磁性存儲具有抗輻射的優勢，空客公司在A350的飛行控制系統中採用MRAM以防止射線造成數據破壞。此外，在物聯網和大數據等新興套用領域，泛在的感測器終端需要蒐集海量數據，為節省存儲功耗，使用非易失性存儲器勢在必行，STT-MRAM以其相對優良的性能成為熱門的候選器件。
