MRAM 是一种非易失性的磁性随机存储器。它领有 SRAM 的高速读取写入能力，以及 DRAM 的高集成度，基本上能够有限次地反复写入。专一于代理销售 MRAM 芯片等存储芯片供应商英尚微电子具体介绍对于 MRAM 的存储原理。MRAM 单元的构造和目前硬盘驱动器中 GMR 读取头的自旋阀膜系构造类似, 自旋阀的工作机理如下。
1、自旋阀
电子作为电流的载体, 用的是电子的电荷, 也就是说电流是电子电荷的输运。但电子不仅有电荷, 而且有自旋, 自旋阀就是利用电子自旋 (而非电荷) 作为数字信息的载体, 即用自旋向上或自旋向下来表征二进制的‘0’或‘1’，并利用 TMJ 的量子隧道势垒对不同自旋方向的电子实现选择性通过, 在这种状况下信息传输靠的是电子自旋的输运, 简称自旋输运(Spin Transfer)。
2、信息的写入
为了有选择地将信息写入二维 MRAM 存储阵列的各存储单元，应用由位线和字线电流在 MRAM 单元自在层产生的合成磁场来实现。在运行时, 利用编码排序使二维 MRAM 阵列中只有一条字线和一条位线通过电流(如图 1), 因此只有一个 MRAM 单元被选中, 这时能够有两种写人状态:
(1) 电流在 MRAM 单元自在层内的合成磁场方向与钉扎层内的磁场方向雷同
电子在自在层磁场的作用下, 自旋被极化为‘向上 ’ 或‘向下’的取向。因为隧道势垒的作用, 不同自旋方向的电子通过隧道结的几率不一样, 如果自旋‘向上 ’ 的电子通过隧道结的几率较大, 则自旋‘向下’的电子通过隧道结的几率就很小，可忽略不计。所以隧道结起到‘自旋阀’的作用。在自旋‘向上’电子通过隧道结进入钉扎层的状况下,MRAM 单元体现为低阻状态, 对应的写入态记作‘0’。见图 1。
图 1 位线和字线在自在层中造成的合成磁场
图 1 示出位线和字线在自在层中造成的合成磁场, 为不便计, 图中只给出 MRAM 单元的自在层。当位线和字线电流的磁力线别离如图中所示时, 自在层中造成的合成磁场方向向右, 也就是自在层资料中的磁畴取向向右。此时 MRAM 单元体现为低阻状态, 对应的写入态记作‘0′, 如图 1 右侧的小块所示。
(2)位线电流反向(图 2), 使 MRAM 单元自在层内的磁畴取向和钉扎层内的磁场方向相同(图 3)
图 2 位线电流反向
图 3 MRAM 单元的写‘1’态
在此状况下，自旋‘向上’电子通过隧道结进入钉扎层的几率很小,MRAM 单元体现为高阻状态, 对应的写入态记作‘1′, 如图 1 左侧的小块所示。
3、信息的读出
信息读出时, 只有当一条位线和一条字线的电流选中了如上述的已写单元时, 能力从它的磁阻大小判断已存入的信息是‘0’还是‘1’。读出原理看来简略, 理论状况却相当简单, 阐明如下。
图 4 给出由 4 个 MRAM 单元组成的删格, 在一条位线和一条字线加上电压后，由图可见被选中的是 4 号 MRAM 单元, 这时电流从‘+V’电极流至‘-V’电极能够有两条通道。
和潜行路线(彩色箭头)”)
图 4 信息读出时电流的失常通道 (红色箭头) 和潜行路线(彩色箭头)
(1）电流能够通过图 4 中红色箭头所示的路线从‘+-V’电极流经 4 号 MRAM 单元到‘-V’电极, 从而测出第 4 号 MRAM 单元的磁阻。
(2) 电流也能够通过图 6 中彩色箭头所示的潜行路线, 从‘+V’电极先后通过第 1、2、3 号 MRAM 单元最初达到 ’-V’电极，因而测出的磁阻不仅仅是第 4 号 MRAM 单元的磁阻, 而是迭加了其它单元磁阻后的后果。这就导致读出谬误。
对于大规模集成的 mram 芯片, 状况则更简单。解决此读出难题的最佳计划是在每个 MRAM 单元都集成一个晶体管, 使读出时只有被选中的 MRAM 单元中的晶体管导通, 其它未选中 MRAM 单元的晶体管总有截止的, 因此不能造成电流回路。这样可别离测得第 4 号 MRAM 单元存值为‘0’态和存值为‘1’态时的磁阻, 并由此计算隧道磁阻扭转率(TMR—Tunneling Magneto-resistive Ratio)。