本次技術(shù)突破有力推動了SOT-MRAM技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化進程。

在2025年12月13日至15日召開的“第一屆自旋芯片與技術(shù)研討會”上，自旋芯片與技術(shù)全國重點實驗室發(fā)布了全球首款單片容量達(dá)到4 Mb的全功能第三代MRAM芯片——SOT-MRAM芯片，這也是全球第一款Mb容量的垂直磁化SOT-MRAM芯片。

磁隨機存取存儲器（MRAM）是一種基于磁電阻效應(yīng)的新型非易失性存儲器，其最大特點是能同時兼具高速、低功耗、抗輻射、近乎無限的可重寫次數(shù)、掉電信息不丟失等優(yōu)勢，是存儲芯片領(lǐng)域的新賽道技術(shù)。目前，第一代、第二代MRAM均已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

第三代MRAM采用自旋軌道矩（spin-orbit torque，SOT）寫入機制。與第二代自旋轉(zhuǎn)移矩（spin-transfer torque, STT）MRAM（STT-MRAM）相比，第三代SOT-MRAM可實現(xiàn)納秒至亞納秒級的寫入速度，其讀寫路徑分離的結(jié)構(gòu)也使其具有極高的可擦寫次數(shù)，大幅提升了器件的可靠性及使用壽命。SOT-MRAM被視為是未來高速緩存和存內(nèi)計算架構(gòu)中極具潛力的新型存儲芯片技術(shù)。目前，SOT-MRAM還處于研發(fā)階段。由于材料、工藝及芯片設(shè)計等技術(shù)原因，此前業(yè)界報道的最高存儲容量還都在百Kb量級，在走向產(chǎn)業(yè)化的歷程中仍面臨眾多技術(shù)挑戰(zhàn)。

SOT-MRAM存儲單元根據(jù)磁化方向可分為垂直磁化與面內(nèi)磁化兩類。其中，垂直磁化方案在高密度存儲上具有長期可持續(xù)微縮的優(yōu)勢，也更具挑戰(zhàn)。

實驗室成功開發(fā)了垂直磁化SOT-MRAM的自旋軌道矩材料技術(shù)、存儲材料技術(shù)和特種刻蝕工藝技術(shù)，有力地支持了芯片容量的突破和寫入功耗的降低。在芯片設(shè)計方面，實驗室通過設(shè)計-工藝協(xié)同優(yōu)化，結(jié)合芯片系統(tǒng)創(chuàng)新，芯片的讀寫速度、可靠性及穩(wěn)定性得以顯著提升。所引入的雙重容錯機制，進一步增強了芯片的整體性能與良率。

2T-1R SOT-MRAM位元結(jié)構(gòu)及讀寫操作示意圖

在此基礎(chǔ)上，實驗室成功開發(fā)出單片4 Mb SOT-MRAM功能芯片。實測數(shù)據(jù)顯示，該芯片存儲容量在全球首次突破Mb大關(guān)，芯片存儲單元的寫入時間僅為1 ns，耐久性超過1012次循環(huán)，并在-40°C至85°C的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定工作。

4 Mb SOT-MRAM芯片照片和封裝片示意圖

上述技術(shù)突破有力推動了SOT-MRAM技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化進程。