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Freescale所提供的MRAM替代性方案
在Freescale的器件中，自由的和固定的磁体层并不是单纯的铁磁板。相反，它们是合成的反铁磁体(synthetic antiferromagnet，SAF)三明治结构，由两个反向对准的铁磁材料层以及两层材料之间所夹的一层非磁性材料耦合隔层而组成。图2示出了一个SAF位单元。SAF三明治结构产生磁致电阻效应的能力并不会因为它的混合式结构而受到影响。对准和反对准只取决于MTJ结构两侧相对的两层材料。将两层板材组成SAF，就可以让每层板变成“磁矩平衡”一净外磁场为零。这避免了磁场交叠而导致的可扩展性的问题。
SAF对于附近的导线上流过的电流所产生的磁场所作出的响应迥异于简单的铁磁板三明治结构。其磁轴，总是试图与导线保持一定的角度回转。这就使得以步进方式切换自由的SAF场(而不是以莽力颠倒其朝向)提供了可能。这种步进旋档式切换不仅所需要的能量显著低于交叉点开关式的，而且可以完全取消前述的“半选中”单元出现连带写入这一难以解决的问题。图3示出了这种磁场切换控制技术。在这种方案中，“半选中”的单元仅旋转45度，而远远不会切换到相反的对准方式的状态上。正如所选中的单元在位线断电时会猛然回到最接近的稳态轴向上一样，“半选中”的单元在选中的线上所接通的电源被切断后会自然而然地快速切换到它们初始的朝向上。此外，由单根线所产生的力起到了提高“半选中”单元的开关势垒的作用，而不是削弱这种势垒，因为一个所施加的力可以防止SAF单元在选择序列中作丝毫进一步的旋转。
图3示出了T2到T3时钟周期所出现的效应。WL上的电流防止轴线作出丝毫的进一步的旋转(在通过周期T2中的“硬轴”线之后)，必须在此后得以降低(在T3周期)以便让旋档的运动继续下去。事实上，只要线通以电流，单元的轴向就会停滞在某一角度上而不会出现移动。增大这根线的电流，而不是设法让该单元失稳，只是使得它的轴向更为稳定地固定在指定的位置上。
旋档式切换的另一个显著的特征是，将一个1或0写入某个单元，对其行为特性并不会产生任何影响。无论单元采用两个对准方向中的哪一个，施加一串相同的写入脉冲序列将使之旋转180度到另一个对准方向。这一特性的优点在于消除了采用双向位线的必要性。不利之处就在于在对每一位存储进行写入前必须进行读出操作，以确定它目前的对准方向。如果需要切换方向的话，这一复杂性就会使写入周期变慢，但它避免了将旋档动作一分为二的必要。在一个交叉点阵列中，同样也没有必要用相同的量值来覆盖一个O或者1数据，但是，因为覆盖一个交叉点单元不会带来损害，因此在写入新的值之前无需确定单元内现有的值。相比之下，对处于0或者1状态的单元进行旋档式操作始终会写入相反的值。于是，旋档操作不能盲目进行一一如果单元所储存的值与要写入的值一致，则根本就不会进行写入操作。
Freescate在MRAM方面的其他创新
旋档切换(由Motorola的Leonid Savtchenko发明)只是在Freescale的设计中，多项引人注意的创新中的一项而已。图4示出了Freescale单元的更为详细的原理图。请注意，铜质的字和位线包裹在一层铁磁材料中。构造虽然因此变得更为复杂，但这样的结构可以将写入脉冲所产生的磁场集中，减少让单元重新对准方向所需的电流大小。因为这种设计通过单个控制(或者“隔离”)晶体管将每个MRAM单元连接起来，而这些晶体管引导读取电流流过单元，故Freescale将它称为一个1T1MTJ位单元设计。
MRAM位单元的一个有趣的和极为重要的特性是它们完全可以制作在芯片的金属互连层中，在后端处理工艺中添加到芯片上去。图5就示出了Freescale的芯片的横截面，从中可以看出，位单元位于Metal 4(用作字或者数字线)和Metal 5(用作位线)这两层金属之间。
MRAM也可以采用多种其他的单元和芯片设计。Cypress Semiconductor于2005年1月提供样品的一种MRAM芯片，就将每个MTJ用两个晶体管耦合起来，其中一个用于控制对单元的读取，另一个用于控制对其的写入。这种设计也是通过消除了所有“半选中的”单元来避免了对交叉点的连带写入。Cypress的双晶体管设计的不足是单元尺寸更大，存储容量受到限制。
MR2A16As其他存储芯片的比较
Freescale的MR2A16A与所有其他的MRAM竞争者相比，最显著的差异就在于这款产品已经投入了批量化生产。任何人出价25美元就可以买下它。
这种器件采用了3．3V的电源电压，容量为4Mb(256K×16bit)，读出和写入周期时间均为35ns。Freescale是在其位于美国Arizona州的Chandler芯片加工厂制造出这些芯片的，基于200mm圆片上的90nm工艺。当然，在Freescale的90nm MRAM实现90nm制造前，竞争对手们可能已经实现了65nm的工艺(或者超过了这一水平)。如今已经实现了的是180nm的4Mb MR2A16A。
这种存储器显然是非易失性的，其写入的耐用性要比闪存高(无限多次)。它并不需要象DRAM那样进行刷新，因此可以节省功耗，而且它毫无疑问是可靠的，而且可以免受辐射引入的软件错误。但是，上述这些品质却伴随着一定的缺点。
它的读／写延迟为35ns，比当前的SRAM差一个数量级，甚至都没有接近DRAM或者闪存较慢的速度一一即使以现在看来很古老的180nm，这些器件也能实现约13ns的延迟。它的写入速度也接近DRAM，虽然并非如此糟糕，因为DRAM的写入速度比读取速度慢约50％。MRAM的亮点是它的延迟优于慢得出奇的闪存器(即使采用90nm工艺制作的器件也需要2ms)。
任何存储技术的关键还是密度。有些应用可以使用较慢的内存，可以容忍漏电较大、功耗较大的晶体管和电容以及软件错误概率的上升。但是应用始终希望能有更大的内存。因此能以更低的成本提供更多位数的存储技术可以取得成功。看看自旋转的金属硬盘驱动器和磁带备份机顽强的生命力就知道这是成立的，虽然速度有限，但这两种技术的寿命随着商用计算历史延续而延续。
MR2A16A的技术还没有开启黄金时代
鉴于上述的所有原因，当前的Freescale的MRAM器件几乎更属于一种证明自旋电子技术可投入批量生产的验证器件，而不会成为一个大规模取代现有内存的有力竞争者。它显然不会取代多种DRAM或者闪存芯片， 这些器件一般速度更快而且容量更大。就每位存储容量的成本来说，现有技术的成本效率要远远占优。
Freescale将MR2A16A作为靠电池保持的SRAM单元的一种“可靠的、经济的、单体化”的替代方案来推广。为了达到如此有限的目的，Freescale MRAM的非易失性简化了设计，它的密度更有竞争力，其速度上的劣势不那么明显，它免于软件错误的特点则是一个优势。为MRAM摇旗呐喊的人们有更大的野心，但是Freescale相对而言有限的野心很可能会取得一定程度的成功。表1对MR2A16A与其他投入大批量生产的备选方案进行了比较。
MR2A16只是开始
在即将到来的内存大战中，可以完全肯定的一件事就是Freescale不会孤独地推广MRAM。那些积极追求MRAM技术的公司列表，仿佛就是半导体业的一份“名人堂”一般。Freescale的器件是一项重要的进步，因为它包含了大量的创新，这些创新使得MRAM得以首次实现商用化。但这显然只是一场大戏的开场而已，这就是体积大幅度缩小而且快得难以置信的量子计算机的登场。
MRAM技术近期有望获得多项革新，一种是自旋矩传递，它可以向一个MRAM单元施加一个电子自旋力(以极化电子流的形式)。这一创新以及其他发明必然克服当前的Freescale的产品的主要缺陷，带来易失性与闪存相同，而开关速度与SRAM相似，且密度和成本经济性达到DRAM的产品一另外自然还有具有无限次读／写寿命、极低功耗、抗辐射的可靠性，可嵌入性仅次于SRAM等优势。如果MRAM实现了这一远景中的任何一个主要的目标，它都将很快开始取代细分市场中的其他芯片以及批量市场上的其他技术芯片。(缪民译自《Microprocessor Report》)
图3 MRAM的旋档式切换操作，采用这种技术后，MRAM单元最终会对准一个“优先轴”，该轴向与相互垂直的引线成45度角。为了标注清楚，图上借助传统地图的方法将字线、位线标注出了东、南、西、北等基准方向。在TO～T4的各个时钟周期上，随着字线WL和位线上的信号的变化，磁场的方向(即磁场N极)以45度为步进发生旋转。在T1周期中施加到WL上的电流使得磁场轴向旋转约45度。在时钟T2周期中，施加到BL的电流将磁轴再旋转45度，指向西北。注意，为了让磁场轴线转过最大电阻所对应的90度“硬轴”，两条导线必须同时导通。在T3周期中，WL上的电流下降：既然现在磁轴已经旋过了“硬轴”方向，反力的撤除使得BL所施加的力能将磁轴再旋转45度，而指向接近于正北的方向。在T4中BL的电流消失，由于没有任何转矩存在，磁轴恢复到其倾向的方向一现在指向东北方向，此时磁轴的N、S极指向发生了颠倒
在Freescale的器件中，自由的和固定的磁体层并不是单纯的铁磁板。相反，它们是合成的反铁磁体(synthetic antiferromagnet，SAF)三明治结构，由两个反向对准的铁磁材料层以及两层材料之间所夹的一层非磁性材料耦合隔层而组成。图2示出了一个SAF位单元。SAF三明治结构产生磁致电阻效应的能力并不会因为它的混合式结构而受到影响。对准和反对准只取决于MTJ结构两侧相对的两层材料。将两层板材组成SAF，就可以让每层板变成“磁矩平衡”一净外磁场为零。这避免了磁场交叠而导致的可扩展性的问题。
SAF对于附近的导线上流过的电流所产生的磁场所作出的响应迥异于简单的铁磁板三明治结构。其磁轴，总是试图与导线保持一定的角度回转。这就使得以步进方式切换自由的SAF场(而不是以莽力颠倒其朝向)提供了可能。这种步进旋档式切换不仅所需要的能量显著低于交叉点开关式的，而且可以完全取消前述的“半选中”单元出现连带写入这一难以解决的问题。图3示出了这种磁场切换控制技术。在这种方案中，“半选中”的单元仅旋转45度，而远远不会切换到相反的对准方式的状态上。正如所选中的单元在位线断电时会猛然回到最接近的稳态轴向上一样，“半选中”的单元在选中的线上所接通的电源被切断后会自然而然地快速切换到它们初始的朝向上。此外，由单根线所产生的力起到了提高“半选中”单元的开关势垒的作用，而不是削弱这种势垒，因为一个所施加的力可以防止SAF单元在选择序列中作丝毫进一步的旋转。
图3示出了T2到T3时钟周期所出现的效应。WL上的电流防止轴线作出丝毫的进一步的旋转(在通过周期T2中的“硬轴”线之后)，必须在此后得以降低(在T3周期)以便让旋档的运动继续下去。事实上，只要线通以电流，单元的轴向就会停滞在某一角度上而不会出现移动。增大这根线的电流，而不是设法让该单元失稳，只是使得它的轴向更为稳定地固定在指定的位置上。
旋档式切换的另一个显著的特征是，将一个1或0写入某个单元，对其行为特性并不会产生任何影响。无论单元采用两个对准方向中的哪一个，施加一串相同的写入脉冲序列将使之旋转180度到另一个对准方向。这一特性的优点在于消除了采用双向位线的必要性。不利之处就在于在对每一位存储进行写入前必须进行读出操作，以确定它目前的对准方向。如果需要切换方向的话，这一复杂性就会使写入周期变慢，但它避免了将旋档动作一分为二的必要。在一个交叉点阵列中，同样也没有必要用相同的量值来覆盖一个O或者1数据，但是，因为覆盖一个交叉点单元不会带来损害，因此在写入新的值之前无需确定单元内现有的值。相比之下，对处于0或者1状态的单元进行旋档式操作始终会写入相反的值。于是，旋档操作不能盲目进行一一如果单元所储存的值与要写入的值一致，则根本就不会进行写入操作。
Freescate在MRAM方面的其他创新
旋档切换(由Motorola的Leonid Savtchenko发明)只是在Freescale的设计中，多项引人注意的创新中的一项而已。图4示出了Freescale单元的更为详细的原理图。请注意，铜质的字和位线包裹在一层铁磁材料中。构造虽然因此变得更为复杂，但这样的结构可以将写入脉冲所产生的磁场集中，减少让单元重新对准方向所需的电流大小。因为这种设计通过单个控制(或者“隔离”)晶体管将每个MRAM单元连接起来，而这些晶体管引导读取电流流过单元，故Freescale将它称为一个1T1MTJ位单元设计。
MRAM位单元的一个有趣的和极为重要的特性是它们完全可以制作在芯片的金属互连层中，在后端处理工艺中添加到芯片上去。图5就示出了Freescale的芯片的横截面，从中可以看出，位单元位于Metal 4(用作字或者数字线)和Metal 5(用作位线)这两层金属之间。
MRAM也可以采用多种其他的单元和芯片设计。Cypress Semiconductor于2005年1月提供样品的一种MRAM芯片，就将每个MTJ用两个晶体管耦合起来，其中一个用于控制对单元的读取，另一个用于控制对其的写入。这种设计也是通过消除了所有“半选中的”单元来避免了对交叉点的连带写入。Cypress的双晶体管设计的不足是单元尺寸更大，存储容量受到限制。
MR2A16As其他存储芯片的比较
Freescale的MR2A16A与所有其他的MRAM竞争者相比，最显著的差异就在于这款产品已经投入了批量化生产。任何人出价25美元就可以买下它。
这种器件采用了3．3V的电源电压，容量为4Mb(256K×16bit)，读出和写入周期时间均为35ns。Freescale是在其位于美国Arizona州的Chandler芯片加工厂制造出这些芯片的，基于200mm圆片上的90nm工艺。当然，在Freescale的90nm MRAM实现90nm制造前，竞争对手们可能已经实现了65nm的工艺(或者超过了这一水平)。如今已经实现了的是180nm的4Mb MR2A16A。
这种存储器显然是非易失性的，其写入的耐用性要比闪存高(无限多次)。它并不需要象DRAM那样进行刷新，因此可以节省功耗，而且它毫无疑问是可靠的，而且可以免受辐射引入的软件错误。但是，上述这些品质却伴随着一定的缺点。
它的读／写延迟为35ns，比当前的SRAM差一个数量级，甚至都没有接近DRAM或者闪存较慢的速度一一即使以现在看来很古老的180nm，这些器件也能实现约13ns的延迟。它的写入速度也接近DRAM，虽然并非如此糟糕，因为DRAM的写入速度比读取速度慢约50％。MRAM的亮点是它的延迟优于慢得出奇的闪存器(即使采用90nm工艺制作的器件也需要2ms)。
任何存储技术的关键还是密度。有些应用可以使用较慢的内存，可以容忍漏电较大、功耗较大的晶体管和电容以及软件错误概率的上升。但是应用始终希望能有更大的内存。因此能以更低的成本提供更多位数的存储技术可以取得成功。看看自旋转的金属硬盘驱动器和磁带备份机顽强的生命力就知道这是成立的，虽然速度有限，但这两种技术的寿命随着商用计算历史延续而延续。
MR2A16A的技术还没有开启黄金时代
鉴于上述的所有原因，当前的Freescale的MRAM器件几乎更属于一种证明自旋电子技术可投入批量生产的验证器件，而不会成为一个大规模取代现有内存的有力竞争者。它显然不会取代多种DRAM或者闪存芯片， 这些器件一般速度更快而且容量更大。就每位存储容量的成本来说，现有技术的成本效率要远远占优。
Freescale将MR2A16A作为靠电池保持的SRAM单元的一种“可靠的、经济的、单体化”的替代方案来推广。为了达到如此有限的目的，Freescale MRAM的非易失性简化了设计，它的密度更有竞争力，其速度上的劣势不那么明显，它免于软件错误的特点则是一个优势。为MRAM摇旗呐喊的人们有更大的野心，但是Freescale相对而言有限的野心很可能会取得一定程度的成功。表1对MR2A16A与其他投入大批量生产的备选方案进行了比较。
MR2A16只是开始
在即将到来的内存大战中，可以完全肯定的一件事就是Freescale不会孤独地推广MRAM。那些积极追求MRAM技术的公司列表，仿佛就是半导体业的一份“名人堂”一般。Freescale的器件是一项重要的进步，因为它包含了大量的创新，这些创新使得MRAM得以首次实现商用化。但这显然只是一场大戏的开场而已，这就是体积大幅度缩小而且快得难以置信的量子计算机的登场。
MRAM技术近期有望获得多项革新，一种是自旋矩传递，它可以向一个MRAM单元施加一个电子自旋力(以极化电子流的形式)。这一创新以及其他发明必然克服当前的Freescale的产品的主要缺陷，带来易失性与闪存相同，而开关速度与SRAM相似，且密度和成本经济性达到DRAM的产品一另外自然还有具有无限次读／写寿命、极低功耗、抗辐射的可靠性，可嵌入性仅次于SRAM等优势。如果MRAM实现了这一远景中的任何一个主要的目标，它都将很快开始取代细分市场中的其他芯片以及批量市场上的其他技术芯片。(缪民译自《Microprocessor Report》)
图3 MRAM的旋档式切换操作，采用这种技术后，MRAM单元最终会对准一个“优先轴”，该轴向与相互垂直的引线成45度角。为了标注清楚，图上借助传统地图的方法将字线、位线标注出了东、南、西、北等基准方向。在TO～T4的各个时钟周期上，随着字线WL和位线上的信号的变化，磁场的方向(即磁场N极)以45度为步进发生旋转。在T1周期中施加到WL上的电流使得磁场轴向旋转约45度。在时钟T2周期中，施加到BL的电流将磁轴再旋转45度，指向西北。注意，为了让磁场轴线转过最大电阻所对应的90度“硬轴”，两条导线必须同时导通。在T3周期中，WL上的电流下降：既然现在磁轴已经旋过了“硬轴”方向，反力的撤除使得BL所施加的力能将磁轴再旋转45度，而指向接近于正北的方向。在T4中BL的电流消失，由于没有任何转矩存在，磁轴恢复到其倾向的方向一现在指向东北方向，此时磁轴的N、S极指向发生了颠倒