MRAM與傳統的隨機存盤器的區別在于MRAM的資訊攜帶者是磁性隧道結(MTJ ),而后者則是電荷，每一個磁性隧道結包含一個固定層和一個自由層，固定層的磁化方向被固定了,而自由層的磁化方向可以由旋轉力矩改變，當兩層的磁化方向一致時,磁性隧道結的電阻最低,其狀態為“0”;反之,則磁性隧道結的電阻最高,其狀態為“1”
最常用的MRAM單元的結構是由一個NMOS晶體管和一個MTJ(作為記憶元件)組成，MTJ與NMOS順序連接，NMOS晶體管由字線信號控制,讀取資料時,NMOS開啟，位線和源線間加一小的電壓差,使電流流過MTJ ,其大小由MTJ的狀態決定，讀出放大器將該電流與參考電流比較，判斷MRAM單元里存盤的資料是“O”還是“1”，寫入資料時,若寫入“O”，則在位線和源線之間加一個較大的正電壓;若寫入“1”,則加負電壓，使MTJ翻轉的最小電流稱為閾值電流,與隧道勢壘層材料、寫入持續時間和MTJ的幾何結構等因素有關，傳統高速快取結構,由H-tree連接起來,其行列數目和尺寸可以使用CACTI工具來進行優化，
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