MRAM与传统RAM芯片融合：构建高性能、低功耗存储体系

MRAM与传统RAM芯片融合：构建高性能、低功耗存储体系

在人工智能、物联网和5G通信等驱动下，对存储系统的性能、功耗和持久性提出了更高要求。将传统的RAM芯片与新兴的MRAM技术进行深度融合，已成为构建下一代高性能、低功耗存储体系的重要方向。

1. 存储层次结构中的角色重构

传统计算机存储层次（寄存器 → 缓存 → 主存 → 辅存）中，各层级承担不同功能。引入MRAM后，可重新定义其在层次结构中的定位：

• L1/L2缓存：由高性能SRAM承担，保持低延迟特性。
• 主存层：采用MRAM替代部分或全部DRAM，实现非易失性主存（Non-volatile Main Memory, NVMM）。
• 持久化缓存：MRAM可作为“持久化缓存”，在系统休眠时保留状态，实现零启动时间。

2. 集成架构的演进：从并行到融合

早期方案多采用“并行架构”——即同时部署传统RAM与MRAM，各自独立工作。而现代趋势是“融合架构”：

• 混合内存池（Hybrid Memory Pool）：操作系统统一管理不同类型的内存，动态分配任务。
• 分层内存控制器：根据访问模式自动将热数据保留在高速缓存，冷数据迁移至低功耗存储。
• 近存计算（Near-Memory Computing）：在内存附近集成逻辑单元，结合MRAM的非易失性实现数据本地处理。

3. 关键技术进展

推动集成落地的技术包括：

• STT-MRAM（自旋转移矩MRAM）：降低写入电流，提升能效。
• SCRAM（Spin-Orbit Torque MRAM）：利用自旋轨道效应，进一步降低功耗。
• 3D垂直堆叠技术：提高单位面积存储密度，缓解面积压力。
• Chiplet与Chiplet-to-Chiplet互联：实现灵活的模块化设计，便于异质集成。

4. 实际应用案例分析

已有企业开始布局相关产品：

• IBM：推出基于MRAM的非易失性缓存原型，用于数据中心。
GlobalFoundries：宣布量产嵌入式MRAM，可用于汽车ECU和工业控制。
• Intel：在Foveros封装中测试了集成MRAM的CPU模块，验证了低功耗运行能力。

5. 未来展望

随着MRAM成本下降、制造良率提升以及标准接口建立，RAM与MRAM的深度集成将不再局限于实验室，而是走向大规模商用。预计在2027年前后，基于混合存储架构的智能终端、边缘服务器和车载系统将广泛采用该技术，开启“永不丢失状态”的计算新时代。