存储技术变革需求 - 当前计算系统依赖SRAM、DRAM和闪存构成的存储层级体系，但随着技术节点突破10纳米，传统电荷存储技术面临可扩展性受限、性能提升困难、可靠性下降等挑战[3] - 人工智能和边缘计算等新兴应用要求存储器兼具DRAM的高速响应能力和闪存的非易失性特征，同时需大幅降低功耗[3] - 新型SOT-MRAM的切换速度达到1纳秒级别，几乎可与SRAM媲美，并保留非易失性优势，远优于DRAM的14毫秒延迟和3D TLC NAND的50至100微秒读取延迟[3] SOT-MRAM技术优势 - SOT-MRAM利用强自旋轨道耦合材料产生自旋轨道力矩，实现磁性隧道结内纳米磁体的磁化翻转，从而完成数据写入与擦除[4] - 技术具有三大核心优势：通过自旋轨道力矩效应实现纳秒级高速写入；三端结构设计分离读写电流路径，显著降低能耗；读写操作独立使器件耐久性大幅提升，数据保持能力出色[4][7] - 这些优势使SOT-MRAM有望替代高速缓存级别的SRAM，成为新一代计算系统的核心存储组件[4] 关键技术突破：热稳定性解决方案 - 研究团队通过插入超薄钴层形成复合结构攻克β相钨热稳定性难题，钴层厚度仅0.14纳米，发挥扩散阻挡层和消耗热预算的双重作用[7][8] - 复合钨结构在400°C下可维持物相稳定长达10小时，耐受700°C高温30分钟，而传统单层钨在400°C下仅退火10分钟就发生相变[8] - 该结构保持优异自旋转换效率，自旋霍尔电导率约为4500 Ω⁻¹·cm⁻¹，阻尼类扭矩效率约为0.61，确保高效磁化翻转性能[8] 器件性能验证 - 成功制备64千位SOT-MRAM原型阵列，实现1纳秒自旋轨道力矩翻转速度，本征翻转电流密度在10纳秒条件下为34.1兆安/平方厘米[11] - 器件热稳定性参数Δ约为116，数据保持时间可超过10年，隧穿磁阻比高达146%[12] - 三端结构设计实现读写操作完全独立，降低能耗，适用于对功耗敏感的边缘计算和移动终端应用场景[12] 产业化应用前景 - 研究从设计之初面向现有半导体后端工艺优化，确保工艺兼容性，为大规模量产铺平道路[12][14] - 计划进一步扩展至兆比特级集成，并将写入能耗降至每比特亚皮焦级别[14] - 在人工智能场景中，SOT-MRAM可作为AI加速器的片上缓存，显著降低系统能耗；在边缘设备中，其非易失性使设备可快速启停而不丢失数据[14][15] - 技术有望推动存储层级体系重构，填补SRAM与DRAM之间的性能空白，甚至取代其中一者，简化架构提升系统效率[15]