自旋芯片與技術重點實驗室發布全球首款4 Mb全功能SOT-MRAM芯片

本次技術突破有力推動了SOT-MRAM技術的發展及產業化進程。

在2025年12月13日至15日召開的“第一屆自旋芯片與技術研討會”上，自旋芯片與技術全國重點實驗室發布了全球首款單片容量達到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、掉電信息不丟失等優勢，是存儲芯片領域的新賽道技術。目前，第一代、第二代MRAM均已實現產業化。

第三代MRAM采用自旋軌道矩（spin-orbit torque，SOT）寫入機制。與第二代自旋轉移矩（spin-transfer torque, STT）MRAM（STT-MRAM）相比，第三代SOT-MRAM可實現納秒至亞納秒級的寫入速度，其讀寫路徑分離的結構也使其具有極高的可擦寫次數，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計算架構中極具潛力的新型存儲芯片技術。目前，SOT-MRAM還處于研發階段。由于材料、工藝及芯片設計等技術原因，此前業界報道的最高存儲容量還都在百Kb量級，在走向產業化的歷程中仍面臨眾多技術挑戰。

SOT-MRAM存儲單元根據磁化方向可分為垂直磁化與面內磁化兩類。其中，垂直磁化方案在高密度存儲上具有長期可持續微縮的優勢，也更具挑戰。

實驗室成功開發了垂直磁化SOT-MRAM的自旋軌道矩材料技術、存儲材料技術和特種刻蝕工藝技術，有力地支持了芯片容量的突破和寫入功耗的降低。在芯片設計方面，實驗室通過設計-工藝協同優化，結合芯片系統創新，芯片的讀寫速度、可靠性及穩定性得以顯著提升。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位元結構及讀寫操作示意圖

在此基礎上，實驗室成功開發出單片4 Mb SOT-MRAM功能芯片。實測數據顯示，該芯片存儲容量在全球首次突破Mb大關，芯片存儲單元的寫入時間僅為1 ns，耐久性超過1012次循環，并在-40°C至85°C的溫度范圍內保持穩定工作。

4 Mb SOT-MRAM芯片照片和封裝片示意圖

上述技術突破有力推動了SOT-MRAM技術的發展及產業化進程。