磁电阻效应是在磁性多层膜中观察到的量子力学效应。多层膜由铁磁层和非磁层交叠而成，当不同铁磁层的磁矩之间彼此平行时，载流子自旋相关的散射截面极小，材料呈现低电阻；当不同铁磁层的磁矩之间彼此反平行时，载流子自旋相关的散射截面极大，材料呈现高电阻。

MRAM的概念早在1972年就已经提出，但直到1988年巨磁电阻（giant magnetoresistance; GMR）和隧穿磁电阻（tunneling magnetoresistance; TMR）效应的发现，才使得MRAM具有了实用化的前景。较早的MRAM采用GMR技术，磁阻元件由上下两层磁性材料中间插入一层非磁性材料的金属层构成。但是GMR薄膜下的0和1之间的阻抗变化小，读取数据的过程中容易受到外界干扰，因此一般都需要采用两次读取程序，以保证数据的正确；同时，GMR薄膜的阻抗小，为了与集成的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor; MOSFET）的阻抗进行匹配，需要较大面积的薄膜。为了克服这些问题，发展了基于TMR效应的磁隧道结（magnetic tunnel junction; MTJ）结构，其由固定磁层、薄绝缘隧道隔离层和自由磁层组成。MTJ与GMR元件最大的不同是隔开两层磁性材料的是绝缘层而非金属层，当自由层的磁矩与固定层平行时，载流子与自旋有关的散射最小，MTJ器件具有低电阻；而当自由层的磁矩方向与固定层反向平行时，与自旋有关的散射最强，则器件具有高电阻。

MRAM的数据是以磁性状态（而不是电荷）的转变来存储，并且读取数据是利用测量电阻来感知，磁性不易受到外界读取电信号的干扰，这决定了磁存储具有良好的抗干扰能力，以及优秀的耐受性能。此外，与现有的闪存、静态随机存取存储器、动态随机存取存储器相比，磁存储器还具有操作速度快、抗辐照、低功耗等优点，具有广泛的应用领域。但是，MRAM在写/擦数据时，其位干扰问题比较严重；磁性材料薄膜的制备工艺比较复杂，在大面积制备过程中薄膜的厚度容易出现波动，从而影响器件的均匀性；MRAM与传统互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor; CMOS）工艺的兼容性还需要进一步优化。传统MRAM面临的最大困难在于其高写入电流，由于矫顽场的相对恒定，当存储单元尺寸缩小时，要求有更高的电流密度，这使得MRAM的尺寸难以缩小，从而限制了其存储密度的提高，使MRAM技术的应用受到极大的限制。

自巨磁电阻效应发现以来，磁存储器的研究就受到了西方发达国家的高度重视。美国、日本、德国等发达国家的多家电子界知名企业都相继投入了大量的人力和物力从事该方面的研究，推动磁存储器的迅速发展。美国公司生产的首代磁场驱动型MRAM芯片，已成功应用于卫星和航空航天的自动化控制、飞行安全控制以及其他特殊高端应用领域。