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為了製造出更小的電子設備，消費性電子廠商正不斷提高記憶晶片或硬碟資料儲存的能力，這種趨勢使得大型主機縮小為桌上型電腦，再縮小為筆記型電腦，甚至成為可以隨身攜帶的裝置。最近10年來，微晶片的中央處理器依循著電子元件著名的摩爾定律，運作效能提升了30倍之多，然而廣為使用的儲存裝置——硬碟，在同樣的時間內，平均效能僅僅提升了1.3倍。其中主要的原因在於，硬碟讀寫頭的設計是藉由機械式的懸臂搭配旋轉磁碟片而運作，而這類機械式的操作，限制了整體系統的微型化發展，並使得功率無法有效降低。
在2004年，IBM的科學家發明了一種儲存容量可比擬硬碟、位元運作速度快達奈秒等級的記憶體晶片，稱為磁性賽道記憶體，並於《自然》發表了這項重要的研究成果。如果賽道記憶體被成功證明可行的話，未來電腦系統將只剩下這一種通用的記憶體，可滿足高容量位元儲存需求，並與中央處理單元高速溝通。
這種通用型的記憶體，操作速度比快閃記憶體（FLASH）快上10萬倍，不輸給高性能的靜態隨機存取記憶體（SRAM）或動態隨機存取記憶體（DRAM）；儲存容量將遠大於目前頗為流行的MP3播放隨身碟，而且只需要其1/50的電力，在斷電之後，還具有與快閃記憶體相同的非揮發性記憶特性，因此可讓小型系統即時開機。相較於硬碟，兩者最大的差別在於磁性賽道記憶體完全是由固態半導體材料製成，不但可與互補式金氧半電晶體（CMOS）的製程相容，使製作流程簡單並一貫化，而且去除了懸臂等機械式的運作設計，使耐震指數遠優於硬碟，大幅提升了可靠度，讓「記憶體硬碟晶片」（disk drive on a chip）不再遙不可及，可望取代傳統硬碟。
以電子流推動磁區壁
我們仔細觀察這個新穎的磁性賽道記憶體與傳統的硬碟元件，以運作原理來說，這兩種資料儲存裝置在功能上有許多相似之處。在硬碟方面，為了增加儲存的位元密度，磁碟片上以同心圓的軌道依序緊排著許多奈米尺寸的磁性位元，並利用磁碟片的旋轉及裝載了讀寫元件的機械式懸臂，找到所需的位元並存取。由於讀寫元件不與儲存位元相接，因此能夠在每一平方英寸之內存放高達好幾兆位元。這個技術的困難在於此機械式的懸臂讀寫元件設計，我們如果依照比例放大，你可以想像一架龐大的七四七飛機，在緊貼地面距離幾公尺的地方高速飛行嗎？這樣的儲存裝置，存在著可靠度的問題。
而磁性賽道記憶體的運作與硬碟有些相似之處，我們可以想像將硬碟的記錄盤，折疊成三維堆疊的方式來儲存位元，並將硬碟中分離的讀寫元件整合成可靠度較佳的固態式元件，因此耐震指數提升了不少，且運作速度可以更快。這樣的設計之所以可行，是利用了一個關鍵的物理現象，即以電子流來驅動磁區壁移動。也就是說，硬碟是透過機械式驅動磁碟片旋轉，及移動讀寫元件來存取位元；而磁性賽道記憶體則是透過電流的施加，將大串的位元資料同步移往固定位置的讀寫元件，完成每一位元的存取。
這個特殊的電子流驅動磁區壁移動，僅需要奈秒等級的電流，以及兆分之一焦耳的能量就可以達成，而此三維堆疊的元件結構並不會佔據基材矽晶圓的實體面積，其等效的位元尺寸可以小至1/8F2（平方尺寸，見右方〈等效位元尺寸是什麼？〉），與硬碟相當。這項技術一旦實現商用，微電子產業將可突破二維的摩爾定律限制，進入三維領域。
採用電流脈衝來移動磁區壁的概念，最早於1984年被提出，並於1998~2004年間發展完備。近年來有許多研發機構積極投入，並開啟了多項新的應用，例如可運用在大容量資料「儲存」的磁性賽道記憶體、低成本低耗電的磁性「邏輯閘」應用，以及高速度的「記憶體」應用。
這個電子流驅動磁區壁移動的物理機制，與單純使用磁場驅動的結果截然不同。磁場的作用是屬於全域性的，會作用在賽道上每一個細微的磁矩上，與磁場反向的磁矩區域會被迫轉換為跟磁場同向，最終每一磁矩的向量方向都與磁場相同，這意味著原本儲存在磁性賽道記憶體內的多位元資料將遭到破壞而消失。
然而以電子流驅動磁區壁，則為區域性的作用。由於電子流是由賽道的一端流向另外一端，每一個磁矩將會與從上游而來的自由電子作用，當自由電子在經過上一個磁矩的時候，會被自旋偏極化，而與該處的磁矩進行角動量的轉移。也就是說，沿著電子流的方向，下一個磁矩將可能轉向成上一個磁矩的向量方向，這就是所謂的「自旋力矩轉移」機制。而相鄰資料型態之間的磁區壁，是前後磁矩向量變化最大之處，因此所通入的電子流，在磁區壁的力矩作用力特別明顯，最終將造成後方磁矩翻動，形成磁區壁朝向電子流的方向移動。
垂直式結構更具容量優勢
磁性賽道記憶體依據結構的差別，可分成兩種元件型式。其中的水平式元件結構，可供儲存磁矩位元資料的奈米線是在同一個製程水平面完成。一般而言，磁性賽道記憶體上負責讀取的磁矩感測元件，會以「選擇電晶體」與周邊電路的感應放大器相接，但這個電晶體會佔據矽基板的實體面積，所以電晶體與磁性位元的相互搭配將影響記憶體的等效位元尺寸，並直接反映在製作成本上。
而垂直式元件結構將所有磁矩位元往三維方向堆疊，自然不會增加等效位元尺寸，所以垂直式元件的等效位元尺寸主要決定於選擇電晶體的大小，我們若以65奈米的電晶體技術做為基準來計算，此垂直式元件的等效位元尺寸約為1/8~1/2F2（對應為每平方英寸0.3~1.3兆位元），已經跟傳統的硬碟相當。但垂直式元件仍舊存在許多實作上的問題，相對而言，水平式元件的結構在製作上簡單許多。
水平式賽道記憶體在以電流驅動磁區壁移動的研發上，這幾年進展神速，主要採用的磁性材料可分成水平異向性材料（以鎳鐵材料為代表）以及垂直異向性材料（以鈷鎳多層膜及鈷鉑合金為代表）。所謂的水平異向性或垂直異向性，端看磁性材料在穩定狀態的時候，其磁矩的向量是平行還是垂直於磁性奈米線。
這兩種材料各有優缺點，水平異向性材料的製程較為成熟，但是其磁區壁型態為渦旋壁或橫截壁，通常佔據相當大的寬度。此外，水平異向性材料的磁區壁很容易受鄰近位元的外露微小磁場所干擾，這些都使得元件的等效位元尺寸難以縮小（大約為15F2），無法有效提升位元的密度，最終能否應用至量產、與其他記憶體競爭也因此遭到質疑。
然而，由於垂直異向性材料的本質異向能很高，其磁區壁寬度因而可以很小，造成自旋電流的轉換效率增大，所以一般而言，在垂直異向性材料上驅動磁區壁移動的臨界驅動電流，可以比水平異向性材料小一個數量級，因為磁區壁寬度小、驅動電流低，使得垂直異向性材料非常適合高密度記憶體應用，其位元尺寸可以小至3F2，跟目前的快閃記憶體相當。
此外，垂直異向性材料可以在位元相接的區域，適度增加類似刻痕的設計，降低磁區壁停留在此的能量，其效果就相當於提供位元或磁區壁一個「釘紮場」（pinning field），把位元或磁區壁「釘」在這裡，要讓這個位元或磁區壁移動的話，就必須施加一個大於此釘紮場的磁場。這種做法可以增加元件的熱穩定性，同時，驅動磁區壁移動所需的電流不會跟著上升，這是水平異向性材料所無法比擬的。因此，目前研究人員大多看好含垂直異向性材料的水平式元件結構，它將可能是磁性賽道記憶體問世的第一代產品。
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