MRAM 能取代 SRAM/DRAM 嗎？次世代存算一體 (CIM) 技術潛力與 STT/SOT 差異解析

MRAM 以「高速存取」與「非揮發性」兼具的特性，被視為次世代記憶體技術的重要候選之一，並在 In-Memory Computing（IMC） 領域中受到高度關注。

本文將深入解析 MRAM 的工作原理與技術特性，並與 FRAM（FeRAM，鐵電隨機存取記憶體） 進行比較，同時探討其技術瓶頸與未來發展方向。

什麼是 MRAM？— 次世代非揮發性記憶體的基礎概念

MRAM（Magnetoresistive Random Access Memory，磁阻式隨機存取記憶體）是一種在斷電後仍能保存資料的非揮發性記憶體，同時具備高速操作與高耐久性的特點。
相較於傳統 DRAM 與 NAND Flash，MRAM 融合了兩者的優勢，並在待機功耗方面表現出色，因此被視為次世代運算系統與嵌入式裝置的重要記憶體技術。

本章將說明 MRAM 的動作原理、技術演進形式與市場發展趨勢，並解析其為何被認為適合應用於 In-Memory Computing 架構。

MRAM 的結構與運作原理：利用自旋轉移扭矩進行寫入

MRAM 採用 磁性穿隧接面（MTJ, Magnetic Tunnel Junction） 作為基本記憶單元，透過控制電子自旋方向來儲存資訊，因此即使在電源關閉後仍能保持資料。

其中，STT（Spin-Transfer Torque）-MRAM 透過寫入電流所產生的自旋轉移扭矩來反轉磁化方向；在讀取時，則利用 穿隧磁阻效應（TMR），偵測平行與反平行磁化狀態下的電阻差異。

此架構同時具備揮發性記憶體的高速特性與 Flash 記憶體的非揮發性，特別適合應用於高效能運算、嵌入式系統與次世代記憶體架構。

STT-MRAM 與 SOT-MRAM 的特性與技術演進

STT-MRAM 已逐步實現商用化，並開始被導入至嵌入式系統與快取記憶體等應用場景。
而 SOT（Spin-Orbit Torque）-MRAM 則被視為下一代技術，其最大優勢在於可將寫入與讀取路徑分離，相較 STT 架構可實現更高的耐久性與更低的延遲。

研究顯示，SOT-MRAM 的切換速度可達數奈秒以下，對於 AI 推論、即時訊號處理與 In-Memory Computing（IMC） 應用具有高度潛力。不過，在寫入電流控制與高密度整合方面，仍有待技術持續優化。

MRAM 的技術優勢與市場發展趨勢

MRAM 兼具高速存取與高寫入耐久性，可在 DRAM 與 NAND Flash 之間扮演關鍵的補完角色。
其存取速度接近 DRAM，寫入壽命則遠高於 Flash，且具備非揮發性，使待機功耗幾乎為零。

目前 Samsung、TSMC、GlobalFoundries 等主要半導體製造商已建立 MRAM 製程，並將其應用於車用電子、嵌入式處理器與 AI 加速器。
展望 2025 年以後，SOT-MRAM 的量產化與成本下降將成為市場普及的重要關鍵。

In-Memory Computing 對記憶體技術的要求

In-Memory Computing（IMC） 是為了解決傳統電腦架構中「資料搬移延遲」與「功耗增加」等問題而提出的新型計算方式。
透過在記憶體內部直接執行運算，可大幅減少 CPU 與記憶體之間的資料傳輸量，進而同時提升效能與能源效率。

本章將說明 IMC 的技術背景、基本運作概念，以及 IMC 對記憶體所提出的關鍵技術條件，並進一步評估 MRAM 是否具備滿足這些需求的潛力。

Von Neumann 瓶頸與 In-Memory Computing 的誕生背景

在傳統 Von Neumann 架構 中，CPU 與記憶體彼此分離，資料需頻繁在兩者之間移動，導致效能受限並產生大量功耗，這一問題被稱為 Von Neumann Bottleneck。

隨著 AI 推論與大規模資料處理需求快速增加，資料搬移所造成的延遲與能源浪費愈發嚴重。
In-Memory Computing（IMC） 的概念，正是透過在記憶體內或其近端直接執行加法、乘法與邏輯運算，來根本性降低資料傳輸量，實現高效能與低功耗的計算架構。

In-Memory Computing 架構中記憶體的角色轉變

在 IMC 架構中，記憶體不再只是被動的資料儲存單元，而是直接參與運算的主體元件。這種將運算與存儲功能深度整合的技術，又被稱為 「存算一體 (Computing-in-Memory, CIM)」。 傳統 SRAM 或 DRAM 需要額外的運算電路才能實現計算功能，而 MRAM 等非揮發性記憶體 則可在斷電後維持狀態，實現即時喚醒與任務續行。

在 Computing-in-Memory（CIM） 的類比運算架構中，記憶體元件本身的物理特性，將直接影響運算精度、速度與穩定性。因此，記憶體技術選擇已成為系統效能設計的關鍵因素。

MRAM 是否能滿足 In-Memory Computing 的技術需求？

MRAM 具備低延遲、高耐久性與非揮發性等特性，能夠滿足 IMC 對記憶體的多項關鍵要求。
其中，SOT-MRAM 在高速切換與低錯誤率方面具備優勢，特別適合 AI 推論、訊號處理等高頻存取場景。

此外，相較其他非揮發性記憶體，MRAM 的寫入能耗較低，有助於延長 Edge AI 與 IoT 裝置 的電池續航力。
然而，在實際 CIM 電路設計中，仍需面對元件變異性、雜訊抑制與系統整合等挑戰，這些問題仍是未來研究的重點。

MRAM 的技術挑戰與發展限制

儘管 MRAM 具備優異的效能特性，但在實際應用與量產方面，仍存在多項待解決的技術課題。
其中，寫入電流降低、能源效率提升、微縮可行性與製造成本控制，是推動 MRAM 普及的關鍵因素。

本章將深入探討這些挑戰，並透過與 FRAM（FeRAM） 的比較，分析不同非揮發性記憶體在應用層面的適材適所。

寫入電流與能源效率的技術瓶頸

雖然 MRAM 在讀取性能方面表現優異，但寫入時所需電流仍然偏高。
以 STT-MRAM 為例，每 bit 的寫入電流往往需要數十微安培以上，對低功耗系統形成限制。

隨著製程微縮，寫入能耗反而可能上升，成為設計上的隱憂。
目前研究正朝向 SOT 架構 與 VCMA（電壓控制磁各向異性） 等方向發展，以期大幅降低寫入功耗。

微縮性與製造成本的挑戰

MRAM 的高密度化高度依賴磁性穿隧接面層的厚度控制與結晶均勻性，製程難度較高，容易影響良率並推升成本。
在高密度設計中，磁性干擾與熱穩定性下降 亦成為顯著問題。

雖然 MRAM 與 CMOS 製程的整合性持續改善，但在量產規模與成本競爭力方面，仍落後於 DRAM 與 NAND Flash。
未來的突破，將仰賴大型晶圓代工廠的製程成熟與產能擴大。

與 FRAM（FeRAM）的比較：應用場景的最佳選擇

FRAM（FeRAM）具備極低寫入功耗、高速存取與超高耐久性（可達 10¹² 次以上），在低功耗應用中極具吸引力。
特別適用於 電池供電的 IoT 裝置、工業感測器與車用控制系統。

然而，FRAM 在高密度與大容量方面仍有明顯限制，因此不適合作為大型快取或儲存用途。
相對而言，MRAM 在容量擴展與系統整合方面更具優勢。

實務上，依應用需求採用 MRAM 與 FRAM 的混合架構，往往是最佳解。

總結：MRAM 的未來發展與 In-Memory 時代的展望

MRAM 被視為次世代記憶體（Next-Generation Memory）的重要候選技術之一，在 In-Memory Computing（IMC）架構中具備高度潛力。
雖然在製造成本、寫入能耗與系統整合方面仍存在挑戰，但其高速性、非揮發性與高耐久度，使其在未來計算架構中具有不可忽視的價值。

本節將整理半導體產業的最新研發動向，並從設計工程師的角度，說明 MRAM 在實際應用與導入時的判斷重點，同時展望非揮發性記憶體與 In-Memory Computing 的未來發展方向。

半導體產業的研發趨勢與 MRAM 的技術演進

截至 2025 年，Samsung、TSMC 等主要半導體廠商，正加速推進 SOT-MRAM 的量產技術，並積極投入 對應 In-Memory Computing 的 MRAM 架構 開發。

在應用層面，MRAM 已逐步導入至 Edge AI、車用電子、工業控制與 IoT 裝置，作為兼顧效能與可靠性的次世代記憶體方案。
未來的關鍵在於：

• 寫入電流的進一步降低
• 製程成熟度提升
• 製造成本下降

隨著材料技術與磁化控制機制的進步，MRAM 的效能上限仍有相當大的提升空間。

設計工程師導入 MRAM 時的評估重點

對於半導體與系統設計工程師而言，是否採用 MRAM，需根據應用需求進行多面向評估，包括：

• 存取頻率與即時性需求
• 系統整體功耗限制
• 寫入耐久性與資料可靠性

特別是在 In-Memory Computing 或 CIM（Computing-in-Memory） 應用中，還需考量運算精度、元件變異性與雜訊影響。
在部分應用場景下，將 MRAM 與其他非揮發性記憶體（如 FRAM）組合成混合式記憶體架構，往往能取得更佳的系統平衡。

In-Memory Computing 與非揮發性記憶體的未來展望

In-Memory Computing 的普及，將徹底改變記憶體在計算系統中的角色定位。
記憶體不再只是資料儲存單元，而是直接參與運算流程的核心元件。

像 MRAM、FRAM（FeRAM）這類具備高速寫入能力的非揮發性記憶體，將成為實現低功耗、高效能計算架構的關鍵基礎。
未來，電路設計、系統架構與材料科學的深度整合，將決定哪一種次世代記憶體能在 In-Memory Computing 時代中扮演主導角色。

MRAM 是否能成為這個時代的核心技術，將取決於技術創新速度，以及半導體產業對其應用策略的選擇。