MRAM（エムラム）

2025年10月25日

MRAM（エムラム）

英語表記: MRAM (Magnetic Random Access Memory)

概要

MRAM（磁気抵抗ランダムアクセスメモリ）は、従来のメモリが電荷を利用するのに対し、磁気の向きを利用してデータを記録・保持する、革新的な不揮発性メモリ（NVRAM）の一種です。この技術は、電源を切ってもデータが消えないという不揮発性（永続性）を持ちながら、DRAMに匹敵する高速なデータ読み書き速度と、NANDフラッシュメモリをはるかに超える高い書き換え耐性を両立させることを目指しています。メモリ階層（キャッシュ, DRAM, NVRAM）においては、高速性と永続性の両方を要求されるアプリケーションにおいて、DRAMとNANDフラッシュの間の性能ギャップを埋める「新世代のメモリ技術」として非常に大きな期待が寄せられています。

詳細解説

MRAMは、メモリ階層における「不揮発性メモリと新技術」の分野で最も注目されている技術の一つであり、その動作原理は非常にユニークです。

目的と優位性

従来のメモリ階層において、DRAMは高速ですが電源が切れるとデータが消える揮発性を持っています。一方、NANDフラッシュメモリは不揮発性ですが、書き込み速度が遅く、書き換え回数（耐久性）に限界があります。MRAMの最大の目的は、この両者の弱点を克服し、高速かつ永続的で、高い耐久性を持つメモリを提供することです。この特性こそが、メモリ階層の中でMRAMが「NVRAMの種類」として、特にエンタープライズ分野やIoTデバイスで注目される最大の理由です。

主要コンポーネント：MTJ素子

MRAMの核となるのは、MTJ（Magnetic Tunnel Junction：磁気トンネル接合）素子です。これは、データを保持するための基本構造であり、以下の三層構造で構成されています。

ピニング層（固定磁性層）: 常に一定の方向に磁化が固定されている層です。
フリー層（自由磁性層）: 外部からの電流（書き込み信号）によって磁化の向きを自由に変えられる層です。
絶縁層: ピニング層とフリー層の間に挟まれた非常に薄い絶縁体（トンネルバリア）です。

動作原理

データの「記録」と「読み出し」は、このMTJ素子の磁化の向きによって行われます。

1. データの書き込み（記録）

書き込み時には、フリー層の磁化の向きを変えるために電流を流します。フリー層の磁化の向きがピニング層と同じ方向（並行）であれば「0」または「1」として記録され、逆方向（反並行）であれば反対のデータとして記録されます。磁気の向きは電流がなくなっても安定して保持されるため、MRAMは不揮発性を実現できるのです。

2. データの読み出し

読み出し時には、MTJ素子に微弱な電流を流し、その電気抵抗を測定します。磁化の向きが並行の場合と反並行の場合では、電子がトンネルバリアを通過する際の抵抗値が大きく異なります（TMR効果：トンネル磁気抵抗効果）。この抵抗値の違いを検出することで、データを高速かつ非破壊的に読み出すことができます。

高速性と耐久性の理由

MRAMが高速である理由は、データの書き込みや読み出しが、構造そのものを大きく変化させることなく磁気の向きを変えるだけで済むからです。これは、電荷を注入・排出する必要があるNANDフラッシュ（書き込みに時間がかかる）とは対照的です。また、物理的な摩耗が少ない磁気変化を利用するため、書き換え耐性が非常に高く、理論上はほぼ無限に書き換え可能とされています。この高い耐久性は、メモリ階層の中でも特に頻繁なデータ更新が求められるキャッシュやログ記録の役割をNVRAMに担わせる上で、非常に重要な要素となります。

具体例・活用シーン

MRAMは、その高速性、不揮発性、高耐久性というユニークな組み合わせにより、従来のメモリでは実現が難しかった分野での活用が期待されています。MRAMは「NVRAMの種類」の中でも、特に高性能なシステムを支える技術として位置づけられています。

エンタープライズストレージの高速化: サーバーやストレージシステムにおいて、MRAMを高速なキャッシュメモリとして利用することで、DRAMのような速度で動作しつつ、突然の停電時にもデータを失わない「永続的なキャッシュ」を実現できます。これにより、システムの信頼性と性能が大幅に向上します。
IoTデバイス・ウェアラブル端末: IoTデバイスでは、電力消費を抑えつつ、電源投入後すぐに起動し、直前の状態を保持していることが求められます。MRAMは低電力で動作し、瞬時に起動できるため、これらのデバイスのメインメモリとしての利用が期待されています。
組み込みシステムのコード格納: 自動車や産業機器などの組み込みシステムでは、高い信頼性と書き換え耐性が求められます。MRAMは、プログラムコードや設定情報を格納する場所として、非常に信頼性の高い選択肢となります。

アナロジー：記憶のハイブリッドカー

MRAMを理解するためのアナロジーとして、「記憶のハイブリッドカー」を考えてみるのはいかがでしょうか。

従来のメモリ階層において、DRAMは「ガソリン車」のようなものです。非常に速く、瞬時にアクセスできますが、エンジンを切ると（電源が切れると）燃料（データ）はすぐに消えてしまいます。一方、NANDフラッシュは「電気自動車」のようなものです。一度充電すれば（書き込めば）長持ちしますが、充電（書き込み）には時間がかかり、充電回数（書き換え回数）にも限りがあります。

MRAMは、この両方の良いところを組み合わせた「記憶のハイブリッドカー」です。DRAMのように高速に動作できるエンジン（磁気変化）を持ちながら、電源が切れてもデータが消えない永続的なバッテリー（不揮発性）を搭載しています。これにより、必要な時に瞬時に高速アクセスが可能で、しかも情報が失われる心配がない、という理想的なメモリの姿を実現しようとしているのです。このハイブリッドな特性こそが、MRAMを「不揮発性メモリと新技術」の最前線に押し上げている要因だと感じます。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート試験、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験などの資格試験では、MRAMは主に「次世代の不揮発性メモリ」または「新しい記憶技術」として出題されます。メモリ階層における位置づけと、既存技術との比較が重要です。

定義の確認（不揮発性）: MRAMは、電源が切れてもデータを保持する不揮発性メモリ（NVRAM）であることを確実に覚えておきましょう。これは、揮発性であるDRAMとの決定的な違いです。
高速性と耐久性: 「高速な読み書き速度」と「高い書き換え耐性（耐久性）」を両立している点が、MRAMの最大の特徴であり、試験で問われやすいポイントです。特に、フラッシュメモリの弱点である耐久性を克服している点は要チェックです。
動作原理（磁気）: MRAMが「磁気」の向きを利用してデータを保持していることを理解してください。電気抵抗の変化を検出するMTJ素子の仕組みも、応用情報技術者試験レベルでは知識として問われる可能性があります。
メモリ階層内の位置づけ: MRAMは、高速性と永続性の両方を求められるミドルウェア層や、DRAMとNANDフラッシュの中間に位置するストレージクラスメモリ（SCM）として期待されていることを把握しておくと、応用問題に対応できます。
関連技術との比較: MRAMは、ReRAM（抵抗変化型メモリ）やPRAM（相変化メモリ）といった他の次世代NVRAM技術群と頻繁に比較されます。それぞれの原理と特性の違いを整理しておきましょう。