随着存储技术的不断发展,基于传统工艺的半导体存储器（如:DRAM,SRAM和NAND闪存等）遭遇到性能发展的瓶颈。同时,人工智能技术、云计算技术等数据密集型应用的兴起和发展,对存储器的性能提出了更高的要求。新型非易失性存储器中,自旋转移力矩-磁随机存储器（STT-MRAM）因具有高速读写、高密度、低功耗及写入次数近乎无限等优点,有望取代SRAM和DRAM成为下一代通用存储技术之一。此外,基于STT-MRAM的存内计算技术可有效解决传统计算机架构体系中“内存墙”的问题。本文围绕MRAM的存内计算方案和优化写操作功耗展开了研究,具体工作内容如下:（1）首先研究了MRAM的工作机理,随后结合MTJ的Verilog-A模型分析了其电阻特性、临界电流特性和翻转特性,同时依据本文后续电路设计需求设定了模型参数,并基于SMIC 55 nm LL逻辑工艺对模型进行了仿真验证。（2）为了解决传统冯-诺依曼计算机体系架构面临的“存储墙”问题,本文基于STT-MRAM提出了一种新型2T1MTJ存内计算方案——控制前置式2T1MTJ存内计算方案。该方案与现有的1T1MTJ、2T2MTJ存内计算方案相比,只需使用同一组参考单元即可实现按位“与”/“或”逻辑运算,并且运算单元使用了不同类型的晶体管,有效提升了运算操作正确率和写入操作的可靠性。在600 m V写电压下,写入操作正确率可达92.9%。（3）针对MRAM的写入操作进行了研究,分析了写入操作面临的挑战及影响写入功耗的因素,分别针对STT-MRAM的存内计算方案和SOT-MRAM设计了相适配的低功耗写电路。在基于STT-MRAM的新型2T1MTJ存内计算方案中,当待写入数据与目标单元当前存储的数据相同时不执行写入操作,与传统写驱动电路相比,平均写入功耗降低了76.2%。针对SOT-MRAM提出了一种改进型2T1MTJ单元结构,有效解决对一个存储单元进行同时读写操作时电流不对称的问题;设计与该单元结构相适配的低功耗自终止写电路,通过避免数据重复写入及在正确写入数据后终止写入操作,与传统的写驱动电路相比,平均写入功耗有效降低了77.35%,略优于采用动态早期自终止技术的方案。