STT-MRAM是通过自旋电流实现信息写入的一种新型非易失性磁随机存储器，是磁性存储器MRAM 的二代产品。STT-MRAM存储单元的核心仍然是一个MTJ，由两层不同厚度的铁磁层及一层几个纳米厚的非磁性隔离层组成，它是通过自旋电流实现信息写入的。
传统的存储技术，如 SRAM、DRAM、Flash 等在现代电子行业的确取得了显著的成就，但是随着半导体制造工艺接近 20nm 水平，这些传统技术的缺陷就越来越明显。可扩展性是一种存储器技术可成功应用的重要特征，然而 SRAM、DRAM、Flash 的继续扩展却变得越来越困难。在 65nm、45nm 工艺上，愈发严重的随机掺杂涨落（RDF）效应引起了反向扩展现象，这在 32nm 及更高工艺水平。会更加严峻。尽管8T-或 10T-SRAM 比 6T-SRAM 有着更好的可扩展性，但是在 22nm 工艺水平就会变得很不可靠。同样地，对于 DRAM，在与成倍增大的漏电流及持续减小的单元电容相抗争的同时，保证数据的不丢失是很困难的。可靠性的降低，数据保持时间的缩短，编程速度的减缓等问题在亚 45nm 工艺水平的 Flash技术上逐步凸显。另外，SRAM 和 DRAM 极高的能量泄露、NAND Flash较差的使用寿命以及不断退化的器件稳定性等问题日趋严重，MOSFET 基存储器在不久的将来就会走到尽头。现代处理器的缓存基本全部采用 SRAM，但是随着多处理器芯片（Chip Multipro- cessor，CMP）的发展，对存储器性能及容量的需求都到达一个新的层次。有限的扩展性、软错误频现、较高的能量泄露对 SRAM 继续作为高密度的片上缓存系统提出了挑战。软错误、应对单元漏电流的备用电源等问题也成为嵌入式 DRAM（embedded dynamic RAM，EDRAM）应用于片上缓存设计的主要瓶颈。
由一只三极管、一只磁隧道结（magnetic tunnel junction，MTJ）和若干连接线组成。MTJ 是一种多层薄膜结构，它由固定层、非磁性隔离层和自由层组成。其中，固定层较厚，磁性较强，磁矩不容易反转，而自由层较薄，磁性较弱，磁矩容易反转。三极管起到选址作用，三极管的漏极连接 MTJ 的一端（如固定层），当栅极开启三极管时，源极、漏极、MTJ 和位线组成回路。位线和附加写信息线有电流流过时分别产生半选写信息磁场（即：位线、附加写信息线产生的磁场仅仅是自由层矫顽力的一半，单独的位线或附加写信息线都不能使存储单元中自由层的磁矩反转），且磁场相互正交。若存储单元未被选通，无论附加写信息线是否有电流流过，自由层的磁矩不会发生反转；若存储单元被选通，若附加写信息线有电流流过，其自由层的磁矩将会因受到来自位线和附加写信息线的半选写信息磁场的作用而发生反转，最终与固定层的磁矩呈平行或者反平行状态。自由层与固定层的磁矩平行或者反平行时，MTJ 的电阻是不相同的。磁矩相互平行时电阻较小，磁矩反平行时，电阻较大。因此，MRAM 的信息写入方式是通过电流产生磁场，进而使自由层磁矩发生反转，改变 MTJ 的电阻，实现信息写入。MRAM 的信息读取是检测存储单元的电阻。若存储单元被选通，恒定的小电流从位线经连接线、MTJ 到选通的三极管漏极流过，在 MTJ 两端会产生电位差。根据电位差的大小，可得确定 MTJ 的电阻，从而知道自由层与固定层磁矩之间的相对取向关系，这种读出方法是非破坏性的。
电流流过磁性层时，电流将被极化，形成自旋极化电流。自旋电子将自旋动量传递给自由层的磁矩，使自旋磁性层的磁矩获得自旋动量后改变方向，这个过程称为自旋传输矩，因此，STT-MRAM是通过自旋电流实现信息写入的。STT-MRAM存储单元的核心仍然是一个MTJ，由两层不同厚度的铁磁层及一层几个纳米厚的非磁性隔离层组成。通过外部电路，电流可以从垂直于MJT表面的方向通过MTJ。电流通过较厚的铁磁层（称为固定层）时，电子被自旋极化，其自旋方向为固定层的磁矩方向。如果中间非磁性隔离层的厚度足够的小，以确保高度的极化（即隔离层的厚度必须小于自旋相干长度λsd，确保电子穿过隔离层之后还能保持最初的自旋极化方向。自旋相干长度是指在自旋方向反转之前自旋电子所走的距离，在相干传输过程中，自旋电子要经历N次可改变动量的碰撞，其动量相干碰撞的平均距离为λ，其大小由自旋电子费米速度及自旋反转时间进行估计），自旋极化电子能够将其自旋角动量转移给较薄的铁磁层（称为自由层），改变自由层的磁化平衡状态。扮演“极化层”角色的固定层一般较厚(几十个纳米)，其饱和磁化强度很大，它的平衡状态是不会发生变化的。相反，要受到自旋矩效应的自由层，一般很薄，其饱和磁化强度较小，因此，它的磁矩矢量能根据自旋电流中自旋电子的极化方向自由地变化取向。STT-MRAM存储单元的结构简单，它省略了带磁性外壳的附加写信息线，最大限度地减少了制备工艺程序，并使存储单元的横截面积减小、存储密度高、存储速度快，满足高性能计算机系统的设计要求。
STT-MRAM解决了MRAM写入信息存在的问题。正向位线电流写信息“1”。高密度的位线电流（含等量自旋相反的电子流）由自由层流向固定层时，电子与固定层中的磁矩发生交换耦合作用，使自旋平行于固定层磁矩的电子通过，而自旋反平行于固定层磁矩的电子被反射，固定层起到“滤波器”的作用，使电子数量减半，形成自旋电流。由于固定层较厚，磁性较强，反射电子自旋矩不足以使固定层中的磁矩反转。通过固定层的自旋电子越过极薄的非磁性隔离层，到达自由层，并与自由层磁矩发生交换耦合作用，使自由层的磁矩向着固定层磁矩方向的反方向转动。最终两铁磁层磁矩呈反平行状态，MTJ的电阻较大，STT-MRAM完成写入信息“1”。反向位线电流写信息“0”。若位线的电流反向，自旋相反的电子流通过自由层时，自由层的磁矩方向不变，电流大小不变。经过极薄的非磁性隔离层到达固定层时仍然保持原自旋状态。这时，若电子的自旋方向与固定层的磁矩方向一致，则通过MTJ；若自旋方向与固定层的磁矩方向相反，则将被反射。反射回来的自旋电子再次通过非磁性隔离层到达自由层时，将自旋矩传递给自由层的磁矩，使其进动角度增大，直至反转。这时自由层与固定层中磁矩平行排列，MTJ的电阻较小，实现了写入信息“0”。STT-MRAM通过固定层使电流极化，形成自旋电流，自旋电流中的自旋电子将自旋矩传递给自由层的磁矩，使其依据自旋电流的方向而发生转动，实现写入信息“0”或“1”。STT-MRAM读取信息的方法与MRAM一样，也是通过检测存储单元的电阻读出其存储的信息的。
STT-MRAM存储单元阵列通过选通栅极（字线）和位线实现寻址，通过位线电流实现信息的读写，其特点如下：
（1）非易失性、结构简单和制备工艺费用小存储的信息由自由层与固定层磁矩的相对取向决定，读写信息次数高（无限次）；一旦写入信息，即使在断电的情况下也不会丢失，具有非易失性。同时，STT-MRAM省略了附加写信息线，其结构简单，工艺费用少；使得存储密度提高、存储容量增大，并可封装成即插即用式和嵌入式。
（2）写信息的功率损耗小、速度快省略了附加写信息线，存储单元的横截面积可更小；通过位线的电流密度更高，便于自旋矩传输；电流减小，可以有较高的电流正负极性变换速度。因此，STT-MRAM写信息的损耗小、功耗低、速度快。
在认知、数据挖掘和综合分析方面的最新研究对存储器系统有了显著的需求，STT-MRAM 具有的高存储密度、低能耗、低误率等优势使其有着巨大的优势。在用作缓存上，STT-MRAM 由于具有很高的可写次数、对软错误的自然免疫力、无备用电源、高的集成密度、非易失性等特点，成为片上缓存系统的最佳候选者之一。通过消除漏电流大大减小了能耗，作为大容量缓存时，STT-MRAM 缓存有更低的动态能量消耗，相比同等容量的 SRAM 缓存，有着更短的信息读取延迟。新颖的外围电路设计，多级、多核STT-MRAM 存储阵列的研究使得STT-MRAM 在存储密度及能量节省上占据更大的优势，更有希望成为 L2、L3 级缓。
STT-MRAM 具有重要的军事应用，在抗恶劣环境高性能计算机、军用卫星、导弹、火箭、航天飞行器控制和数据存储系统中都需要具有超高密度、超大容量、超低能耗、随机存储、非易失性、结构简单、抗辐照能力强等优点的存储器系统。
