在工研院即將進入歡慶40週年院慶之際，工研院電光所的研究團隊所開發出來的「垂直式自旋磁性記憶體技術」榮獲傑出研究金牌獎，此一技術乍看之下並不顯眼，但該記憶體技術的背後，卻也牽動了未來全球半導體大廠的勢力佈局。
我們都知道，記憶體的分類，大致上可分為：「揮發性」與「非揮發性」兩大類別，前者以DRAM（動態隨機存取記憶體）與SRAM（靜態隨機存取記憶體）為代表，後者則以Flash（快閃記憶體）最為常見。然而這兩種記憶體類別，天生就有截然不同的技術特性，因此也在電子產業中各自扮演重要的角色。不過，礙於製程的不斷演進，這些記憶體也開始面臨了物理極限，在微縮上變得愈加困難，所以許多國際半導體大廠也就開始著手進行新一代記憶體的開發，MRAM（Magnetic Random Access Memory；磁性記憶體）就是眾多新一代記憶體技術中的典型例子。
MRAM的技術特性兼顧了揮發性與非揮發性記憶體的優點，在定位上介於兩者之間，由於具備了非揮發性記憶體的優點，所以相對省電。許多業者也將其視為DRAM與SRAM的下一代接棒技術。
回溯MRAM的開發歷程，早在1995年摩托羅拉就已經著手進行研發，後來旗下的半導體部門轉而成立飛思卡爾後，於2004年提出量產計畫，2006年進行銷售，容量為4Mb，讀寫速度為35ns（nanosecond；奈秒）。而工研院也在2001年投入MRAM的研發，並於2002年成立研發團隊。在當時，產業界對於MRAM有著不小的呼聲。
然而，儘管身為一線國際半導體大廠的飛思卡爾將MRAM加以市場化，但是市場終究是殘酷的，礙於MRAM有許多物理特性的問題無法克服，其性能表現不如市場預期，MRAM到現在仍然是處在曲高和寡的局面。全球一線半導體大廠對於MRAM的研發投入也趨於緩和。不過，這種情況在2010年的IEDM（國際電子元件會議）上由於三星與海力士針對MRAM不約而同提出新的研發成果而開始產生變化，MRAM再度受到全球半導體大廠們的重視。緊接著，工研院也在2013年提出新的研發成果，進一步解決了MRAM的物理問題，工研院電光所所長劉軍廷便表示，此一技術突破，將為記憶體產業開闢一個全新的戰場，台灣將在這個戰場中，扮演相當關鍵而重要的角色。
MRAM是一種磁性多層膜的堆疊結構，在這當中最為關鍵的三層，上下兩層為磁性層（一為參考層，一為自由層），中間則為絕緣層。早前的MRAM的磁性層的磁化方向是水平排列，並可由電流來控制旋轉方向。方向相同時，為低組態；相反時則為高組態，透過組態的不同，來定義數位世界的「0」和「1」，不過這種作法，礙於物理特性的關係，在實際的體積上不易微縮，加上需要的電流也相對較大。故水平式架構較不受到產業界歡迎。
工研院電光所奈米電子技術組組長顧子琨談到，MRAM就架構上可分為水平式與垂直式兩種，水平式由於物理問題較難克服，故現階段各大半導體廠商無不投入在垂直式架構上。雖然在垂直式架構也有不少問題需要克服，不過在現階段，像是低磁組變化率或是大寫入電流等挑戰，都已經克服。不過，問題在於，只要是磁性材料，就會有「外漏磁場」與「翻轉不對稱」的問題出現，而過去的作法需要通過電源以產生外在磁場來讓自由層進行翻轉，以相同方向來說，在翻轉上只導入少許電流就能完成，但在相反方向的情況下，就需要提供較大的電流，這就是所謂的「翻轉不對稱」。
工研院電光所的研究團隊所開發出來的「垂直式自旋磁性記憶體技術」（p-STT MRAM）所克服的技術挑戰則是「非對稱翻轉」，與此同時，這也可以兼顧低寫入電流的優勢。換言之，該技術可用極低的寫入電流來達到對稱翻轉的效果，同時也能解決物理極限的微縮挑戰。顧子琨透露，此一技術適用45奈米以下的製程，再者，MRAM本身就是以低電壓運作，如果電流可以有效降低，整體功耗便能大幅下降。
他更談到，在現階段，國際一線的半導體大廠的投入，從設備業、晶圓代工業、記憶體業與IDM（元件整合製造）等業者，幾乎都投入垂直式自旋磁性記憶體技術的研發，就他了解，中國其實也投入少不少資源。之所以會引起全球半導體一線大廠的高度重視。顧子琨分析，若僅只把MRAM與記憶體產業加以連結，是相當狹隘的看法，就晶片架構上，SRAM在系統單晶片扮演極為重要的角色，若能讓晶片整體表現大幅躍進，MRAM絕對是不可獲缺的關鍵，所以晶圓代工龍頭台積電也對該技術相當重視。他預估最快會在2015至2016年就會進入送樣階段，東芝與三星有機會搶先量產。
不過，工研院畢竟扮演技術移轉的角色，顧子琨不諱言，台灣業者在MRAM的進展速度是相對較為保守的，一般來說，都是要等到市場進入萌芽期後，才會陸續投入，但在目前，已有許多國際業者與工研院洽談後續的合作事宜，態度相當積極。不管如何，可以確定的是，工研院此一突破技術已經開啟新一波的記憶體戰局，台灣記憶體業者若能把握此一機會，未嘗不是一個東山再起的機會。
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