目前CPU中使用的SRAM(靜態隨機儲存器)雖然速度快，但是數據是易失性的，斷電之後數據就沒有了，非易失性儲存RAM是未來的方向。在這一類別中現在有多種備選方案，比如MRAM(Magnetic Random Access Memory，磁阻隨機存取儲存器)、PCM(Phase Change Memory相變儲存)、ReRAM(Resistance Random Access Memory，電阻式儲存器)等，其中MRAM的研究最多，是下一代非易失性儲存技術的最強音。
在此之前已經有過多篇有關MRAM技術的報導，不過日本PCWatch網站的專欄作者福田昭綜合分析了MRAM技術的特點，也讓我們一起來看下這個次世代技術到底有什麼優勢成為多家大腕的新寵。
簡單看下儲存器的分類，外部記憶體就是常見的HDD、SSD這一類了，主記憶體就是記憶體了，CPU及L1快取部分的主要是SRAM，要求是速度極快，延遲低，與CPU頻率同步運行，當然容量就比較小，L2快取及LLC部分的頻率要求不如L1那麼高，對應地對容量要求也提高了些。
目前研究MRAM技術的主要有三大勢力：財大氣粗的Intel的研究主要針對PC領域，用在LLC電路做快取使用，高通及TSMC組隊研究適合隨身設備的，而IBM、希捷研究的MRAM則針對HDD快取加速之類的。
此外，PCWatch沒提到的其實還有三星、東芝及Hynix及飛思卡爾等，他們的實力也不可小覷。
MRAM特點
MRAM的特點概括起來就是電力消耗更低，核心面積更低，容量更大。
◆ MRAM優勢分析
MRAM的核心面積只有SRAM的1/2-1/4，也就是說同面積下快取容量是SRAM的2-4倍，可以大大降低成本。
CPU的性能要想進一步提高，快取容量也必須跟着提高才能容納更多的數據和指令，而快取占用的核心面積往往比核心更大(看看Intel Core處理器的架構圖就知道了，NVIDIA也曾攻擊Intel說他們的晶片其實在賣沒技術含量的快取而已)。
在這方面，IBM和希捷在2009年的HPCA(高性能電腦體繫結構國際研討會)上公佈過有關L2快取使用MRAM的研究成果，這裡摘錄如下：
首先設定一個模型，使用65nm COMS工藝製造SRAM和MRAM，同樣的面積下後者的容量可達前者四倍，如果轉換成儲存cell，那麼MRAM的cell數大約是40，而SRAM則是146。
定義SRAM快取為128KB大小，那麼MRAM在同樣的配備下則是512KB，而且3.30mm2的面積也要比SRAM 3.62mm2略小，16-way配備下SRAM容量只有2MB，而MRAM則有8MB。
◆ MRAM的不足：寫入性能下降
MRAM技術也不是沒有死穴，寫入性能下降就是一例。模擬結果表明，MRAM的寫入速度下降了12-19%，整體的IPC指令性能下降了3-7.5%左右。
SRAM的延遲約為2.264ns，而MRAM則有11.024ns，是前者的5倍多。
寫入數據時功耗增加也是MRAM的不足之一，SRAM寫入過程只消耗0.797nJ(納焦)，而MRAM需要4.997nJ，是前者的6倍多。不過待機時就不一樣了，2MB SRAM需要2.089W功耗，而8MB MRAM只需要0.255W，壓倒性的勝利。
◆ 第二代MRAM技術改進
第一代MRAM技術表現並不盡如人意，不過Intel和高通都相信改進型的第二代技術可以降低處理器功耗。
MRAM主要應用GMR巨磁阻尼原理，第一代MRAM技術利用的是外部、專用的“路由”來產生磁場來進行數據讀寫，這種方式的缺點就是要改寫的MRAM區域也越多，產生磁場的電流就需要越大。
第二代MRAM技術改進了磁場磁化方式，依賴電子自旋而非外部磁場，讀寫數據需要的電流比較小，儲存單元cell面積也減小了。為了區分這兩代MRAM，第二代通常也叫做STTRAM、Spin Mmemory(自旋儲存器)。
自從發表過相關論文和研究報告之後，TSMC和高通在第二代MRAM上進展很快，2009年在IEDF發布過1Mbit儲存器的設計製造，並準備生產32Mbit容量，2012年6月的VLSI Symiposium會議、2012 Spintronics Workshop on LSI會議都公開了最新的研發進程。
高通主要是看到了MRAM在SOC晶片上的低功耗優勢，可以用在手機、POS機等設備商，甚至可以取代外部DRAM。
高通和TSMC聯合開發的第二代STT-MRAM技術
◆ 選擇MRAM的理由
儘管MRAM有這樣那樣的優點，但是Intel表示，雖然有了這麼多的論文和研究成果，但是目前並沒有MRAM實際產品製造出來。
另一個有趣的問題就是MRAM保存數據的穩定性，熱穩定性毫無疑問會影響數據的保留期限，溫度越高就越不穩定，這就需要平衡數據保存的期限。
一般的半導體數據保存期限是10年，為此需要1bit或者2bit的ECC校驗單元，而SRAM快取上已經整合了ECC功能，從這點上來看沒有增加成本，是一種合適的選擇。
Intel指出做快取的情況下，半導體保存數據的期限遠遠沒必要達到10年這麼高，可以適當降低熱穩定性要求，這一點是非常重要的，甚至一個月的時間都太長了，能保持數據2周就可以了。
考慮到MRAM寫入速度較低的缺點，降低熱穩定性要求其實是好事一件，因為它可能改變MRAM的儲存單元，帶來提高數據寫入速度的可能，使得MRAM更加適合快取的要求。
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發表於 12-7-17 11:05:05