MRAM

A mágneses ellenállású véletlen hozzáférésű memória ( MRAM ) a nem felejtő memória egy fajtája, amelyet az 1990- es évek óta fejlesztenek . A meglévő technológia, elsősorban a Flash és a DRAM folyamatos fejlesztése megakadályozta széleskörű elterjedését, bár támogatói úgy vélik, hogy előnyei annyira nyilvánvalóak, hogy előbb-utóbb minden típusú memória domináns technológiájává válik. ]

Leírás

A hagyományos RAM -mal ellentétben az adatok tárolása nem elektromos töltésként vagy áramfolyamatként történik, hanem mágneses tárolóelemek segítségével . Az elemek két ferromágneses korongból állnak, amelyek mindegyike képes fenntartani egy mágneses teret , amelyeket vékony szigetelőréteg választ el egymástól . A két tárcsa egyike adott polaritású állandó mágnesre van helyezve; a másik úgy változik, hogy megfeleljen egy külső mezőnek. Ezeknek a celláknak a hálója memóriachipet alkot.

A leolvasás a cella elektromos ellenállásának mérésével történik . Általában egy cellát a hozzá tartozó tranzisztor teljesítménye alapján választanak ki, amely áramot vezet a tápvezetéktől a cellán keresztül a földig. Az alagút a két lemez mezőinek irányától függően változásokat okoz a sejtellenállásban . A keletkezett áram mérésével kiszámítható az ellenállás és ebből az írható lemez polaritása. Általában "0"-nak tekintik, ha mindkét lemez polaritása azonos (a legkisebb ellenállás állapota).

Írni többféleképpen is lehet. A legegyszerűbb az, hogy minden cella két írássor között helyezkedik el, amelyek megfelelő szöget zárnak be egymással a cella felett és alatt. Az áram hatására a csomópontban mágneses mező indukálódik, amely befolyásolja az írható lemezt. Ez a működési minta hasonló az 1960-as évek ferritmagos memóriájához . Jelentős mennyiségű áramra van szükség a mágneses tér generálásához, ami korlátozza a használatát alacsony energiaigényű eszközökben. Ezenkívül a méretskálázás miatt a generált mezők több cellát is átfedhetnek a kapott hamis írásokkal. Úgy tűnik, hogy ez a probléma viszonylag nagy cellaméretet kényszerít ki. Bár a megoldást kördoménnel és a kolosszális mágneses ellenállással próbálták megoldani , úgy tűnik, ez a megoldás mostanában nem fejlődik.

Egy másik megközelítés többfázisú írást hajt végre egy többszintű cella segítségével. A cella most antiferromágneses anyagot tartalmaz , amelyben a mágneses orientáció váltakozik a felületen. A rögzített és ingyenes rétegek mostantól többszintű kötegekből állnak, amelyeket egy csatolási szint választ el . A kapott struktúrának csak két stabil állapota van, amelyek a két vonal által továbbított írásjel relatív késleltetésének beállításával válthatók át, ami a mező elfordulását okozza. A teljes feszültségtől eltérő feszültség növeli az ellenállást, így az egyik írási vonalat megosztó cellákat ez nem érinti. Ez kisebb sejteket tesz lehetővé.

Egy újabb technika a centrifugálási nyomatékátvitelen vagy a centrifugálási átvitel kapcsolásán alapul . Polarizált elektronokat használ (amelyek spinmomentumai egy vonalban vannak) a mágneses domének csavarásához. Pontosabban, ha az egyik héjba áramló elektronok feltöltik spinjüket, akkor forgatónyomaték keletkezik, amely a következő héjra kerül. Ez az írás végrehajtásához szükséges áramerősséget körülbelül az olvasási szintre csökkenti. A klasszikus MRAM cellát a gyanú szerint nehéz nagy sűrűségben előállítani az íráshoz szükséges áramerősség miatt, amit ez a módszer elkerül. A probléma az, hogy jelenleg a vezérlőtranzisztornak nagyobb áramot kell kapcsolnia, és fenn kell tartania a spin koherenciát. Mindenesetre az íróáram sokkal kisebb, mint a többi változatban.

Egy MRAM cella egyszerűsített vázlata.

Összehasonlítás más rendszerekkel

Sűrűség

A rendszer költségét meghatározó fő tényező az azt alkotó komponensek sűrűsége. A kevesebb és egyszerűbb (kisebb) alkatrészt tartalmazó rendszerek nagyobb sűrűséget és nagyobb chiphozamot eredményeznek minden egyes szilícium lapkán, ami viszont javítja a hibamentes chip arányt.

A DRAM memória kondenzátorokat használ memóriaelemként, valamint áramvezető vezetékeket és vezérlőtranzisztort (ez egy 1T1C cellát alkot). A kondenzátorok lényegében két fémlemez, amelyeket szigetelőanyag választ el egymástól. A DRAM az a RAM, amely jelenleg a legnagyobb sűrűségű, ezért a legolcsóbb, ezért ez teszi ki a számítógépekben használt RAM többségét.

Az MRAM memória fizikai szempontból meglehetősen hasonló, bár általában nem igényel tranzisztort az írási művelethez. Ugyanakkor problémát jelent az írási interferencia ( félkiválasztás ), amely 180 nm-re vagy annál nagyobbra korlátozza a cellák méretét. Az átkapcsolást alkalmazó változatok 90 nm körülire skálázhatók, a mai DRAM-ok méretével megegyező méretűre. Ahhoz azonban, hogy nyereséges legyen a gyártás, le kell tudnia süllyeszteni 65 nm-re a legfejlettebb memóriaeszközök esetében, amelyeknek valószínűleg át kell állniuk a spin torziós technikák (STT) használatára.

Energiafogyasztás

A DRAM-ot alkotó kondenzátorok idővel veszítenek töltésükből, ha a töltést nem állítják vissza időszakosan (körülbelül 1000-szer másodpercenként, leolvasva és újraírva az értékeket). Ezért folyamatos áramra van szükségük, és adatvesztésre kerül sor, ha az áramellátás megszakad. A frissítési ciklus a DRAM-ok méretével csökken, és a fogyasztás nő.

Éppen ellenkezőleg, az MRAM-memóriák nem igényelnek semmilyen frissítést, ami nem felejti őket, és megszabadítja őket a folyamatos energiafogyasztástól. Az olvasási folyamat ehhez képest drágább, bár a gyakorlatban a különbség nagyon kicsinek tűnik. Az írási folyamat több energiát igényel az ízületben már meglévő mező leküzdéséhez (az olvasáshoz szükséges energia 3-8-szorosa). ​ A nettó energiafogyasztás a hozzáférések jellegétől – több írástól – függ, bár e megközelítés védelmezői általában jóval alacsonyabb fogyasztást prognosztizálnak (akár 1%-a a fogyasztásnak). a DRAM). Az SST-alapú eszközök felülírják az olvasás és írás közötti különbséget, tovább hangsúlyozva ezt a különbséget.

Érdekes összehasonlítani az MRAM-ot egy másik gyakori eszközzel, a Flash RAM-mal. Ezenkívül nem illékony, így általánosan helyettesíti a merevlemezeket kis eszközökben, például zenelejátszókban és digitális fényképezőgépekben. Az olvasás során mindkét memória energiaigénye nagyon hasonló. Íráskor azonban a Flasht nagyfeszültségű impulzusokkal (körülbelül 10 V) írják át viszonylag lassú, nagy fogyasztású akkumulátorok segítségével. Az általuk előidézett degradáció korlátozza a sejtek írási ciklusainak számát is.

A Flash-től eltérően az MRAM csak valamivel több energiát igényel az írás végrehajtásához, és nincs változás a feszültségben, ami alacsonyabb energiafogyasztást eredményez, gyorsabb műveletek mellett, és nincs hatással az eszköz élettartamára.

Sebesség

A DRAM -memóriák sebességét korlátozza az az idő, amely alatt az áram lemerül (olvasása) vagy tárolása (írása) szükséges a cellákban. Az MRAM-ban az áramok helyett a feszültség mérésére támaszkodik, így jobb a beállási idő. Kimutatták, hogy az MRAM-eszközök 2 ns nagyságrendű hozzáféréssel rendelkeznek, ami valamivel jobb, mint a fejlettebb DRAM-ok, amelyek sokkal újabb gyártási folyamatokat használnak. Sokkal szembetűnőbb a különbség a Flash-hez képest, hasonló teljesítményt nyújt olvasásban, de több ezerszer jobb írásban.

Az egyetlen technológia, amely a sebesség tekintetében versenyezhet az MRAM-mal, az SRAM memória , amely tranzisztorkészletekből áll, amelyek flip-flopokat képeznek , hogy két állapot egyikét tárolják tápellátás közben. A tranzisztorok teljesítményigénye nagyon kicsi, így az állapotváltás nagyon gyors. Egy SRAM cella azonban több tranzisztorból áll, így sűrűsége jóval kisebb, mint a DRAM-é. Ez viszont drágábbá teszi, és használata kis mennyiségű nagy sebességű memóriára van fenntartva, jellemzően a mai CPU -k gyorsítótárára .

Az MRAM nem olyan gyors, mint az SRAM, de elég közel áll ahhoz, hogy még ezekben a felhasználási módokban is versenyképes legyen, sokkal nagyobb gyorsítótár-kapacitást kínálva, bár valamivel lassabb. Ennek a kötelezettségvállalásnak a következményei jelenleg nem ismertek.

Áttekintés

Az MRAM SRAM-szerű sebességet kínál, a DRAM-éhoz hasonló sűrűséggel, de sokkal kevesebb energiát, mint a DRAM (és nagyobb sebességet). Ezen túlmenően, a Flash memóriával összehasonlítva, idővel nem romlik. Ez a kombináció arra késztet néhányan, hogy „univerzális memóriaként” javasolják, amely képes helyettesíteni ezt a hármat, valamint az EEPROM memóriát . Ez magyarázza a fejlesztését körülvevő intenzív kutatási tevékenységet is.

A piaci trendek azonban távol tartották a széles körű használattól. A Flash memória piaca nagy nyomást helyez a gyártókra az új integrációs folyamatok kidolgozására, így 65 nm-en 1 Gibit , a Samsung esetében pedig akár 16 Gibitet is elérhet 50 nm-en. A DRAM túltermelése jóval alacsonyabb befektetési megtérülést kínál, ezért a legtöbb DDR2 memóriát régebbi, 90 nm-es folyamatokkal gyártják (egy generációval régebbi, mint a jelenlegiek).

Az MRAM a maga részéről még nagyrészt fejlesztési állapotban van, és gyártása másodlagos gyárakban folyik. Az egyetlen elérhető nagyszabású termék a Freescale Semiconductor 4 Mibit chipje , amely több generációs 180 nm-es folyamatokat használ. A Flash memória iránti nagy kereslet továbbra is növeli a kínálatot, így a gyártók nem kockáztatják, hogy fő gyáraikat az MRAM-gyártásnak szenteljék. Mindenesetre, és még ugyanazt a gyártási eljárást alkalmazva is, az MRAM cellák még mindig jóval a Flashben elért méretek felett vannak.

Előzmények

• 1955 – Ferritmagos memória használata, amely ugyanazt a működési elvet használja az íráshoz.
• 1989 – Az IBM kutatói kolosszális mágneses ellenállás -felfedezések vékonyréteg-struktúrákban.
• 2000 – Az IBM és az Infineon közös fejlesztési programot hoz létre.
• 2002 – Az NVE technológiai cserébe lép a Cypress Semiconductorral.
• 2003 – Bemutatnak egy 128 KiB -es chipet 180 nm-es litográfiai eljáráson.

2004

• Június – Az Infineon bemutat egy 16 Mibit-es prototípust, amely ugyanazon a technológiai eljáráson alapul.
• Szeptember – A Freescale integrálja az MRAM-ot termékvonalaiba, és megkezdte a teljesítmény tesztelését.
• Október – 1 Mibit chipek fejlesztése Tajvanon ( TSMC ). A Micron elveti az MRAM technológiát.
• December – A TSMC, a NEC és a Toshiba új prototípusokat határoz meg. A Renesas nagy sebességű, nagy megbízhatóságú MRAM-ot fejleszt.

2005

• Január – A Cypress teszteli az MRAM-ot (NVE technológiával).
• Március – A Cypress MRAM-részlegének eladását tervezi.
• Június – A Honeywell közzétette az 1 Mibit chip adatlapját 150 nm-es litográfiai eljárásban.
• Augusztus – Cellasebesség-rekord 2 GHz.
• November – A Renesas és a Grandis együttműködik az STT-alapú 65 nm-es MRAM fejlesztésében. Az NVE SBIR támogatást kap az Egyesült Államok kormányától a kriptográfiai alkalmazások tanulmányozására. ]
• December – A Sony bemutatja az első olyan laboratóriumi STT prototípust, amely az áramot a magnetorezisztív rétegen vezeti át az íráshoz; ez a módszer kevesebb energiát használ és jobban méretezhető, ami nagyobb sűrűséget eredményez, mint a DRAM-ban lehetséges. A Freescale magnézium-oxid alapú chipeket vezet be az alumínium-oxid helyett, amelyek vékonyabb alagútszigetelőket és alacsonyabb bitellenállást biztosítanak az írás során (kevesebb áramot igényel).

Jelenlegi állapot

2006

• Február – A Toshiba és a NEC egy 16 Mibit-es chipet jelent be, amely új teljesítmény-elágazásos kialakítással rendelkezik, amely 200 Mbit /s sávszélességet ér el 34 ns ciklusidővel, ami az eddigi legjobb MRAM teljesítmény. Kategóriájában a legkisebb (78,5 négyzetmilliméter), tápellátása pedig 1,8 V. ]
• Július – A Freescale egy 4 Mibites chipet forgalmaz körülbelül 25 dolláros áron. ]

2007

• Augusztus – Az IBM és a TDK a költségek csökkentésére és az MRAM teljesítményének növelésére törekszik egy új termék piacra dobása előtt. ]

2018

• Az Intel bejelenti az MRAM memória tömeggyártását. ]

Alkalmazások

Az ilyen típusú memória javasolt felhasználási területei a következők:

• katonai és repülési rendszerek
• digitális kamerák
• laptopok
• mobiltelefon
• intelligens kártyák
• bázisállomások
• személyi számítógépek
• Elemes SRAM csere
• Speciális memóriák fekete dobozokhoz és más hasonló regiszterekhez.

Lásd még

• RAM
• számítógép memória
• nvSRAM
• EEPROM
• FeRAM
• BABAKOCSI
• s-MOSFET
• NRAM
• mágneses ellenállás
• Ferromágnesesség
• alagút hatás

Külső linkek

• MRAM információk és források
• IBM kutatás - MRAM (Richard Butner) Archivált 2016-06-17 a Wayback Machine -nél .
• 2005. április Science magazin cikke
• Tudományos magazin cikk 2005. szeptember
• A Wired News 2006. februári cikke
• NEC sajtóközlemény 2006. február
• Cikk a BBC News-ban 2006 júliusából
• Freescale MRAM – 2006. augusztusi tanulmány
• Német hír- és információs blog az MRAM-ról
• MRAM – A szupermemória születése – Cikk és interjú a Freescale-vel a vállalat technológiájáról