Магнитная оперативная память это
Обновлено: 03.07.2024
В настоящее время в качестве запоминающих устройств используются, в основном, три вида памяти – SRAM, DRAM и флеш-память, чаще всего – NAND. Уже довольно долгое время ведутся разработки альтернативных технологий создания микросхем памяти, способных заменить часть существующих запоминающих устройств или, возможно, предложить универсальное решение, которое подойдет для любого применения. Одной из таких технологий является MRAM и ее более новая разновидность ST-MRAM или STT-MRAM (spin-transfer torque magnetoresistive RAM – память с использованием технологии переноса спинового момента). MRAM - что это за зверь? Давайте разбираться.
Перспективные технологии
Следует сказать, что сейчас в разработке находятся несколько разных вариантов того, что, возможно, найдет применение в качестве запоминающего устройства в обозримом будущем. Один из вариантов я недавно описывал – это совместная разработка Intel и Micron 3D XPoint, использующая, по одной версии, эффект фазового перехода вещества, а по другой – некую иную технологию, о подробностях которой предпочитают не распространяться.
- Память на нанотрубках.
- Сегнетоэлектрическая оперативная память (Ferroelectric RAM, FeRAM или FRAM). (RRAM, ReRAM, Resistive random-access memory) и ряд других.
Думаю, постепенно мы познакомимся со всеми этими технологиями.
На разработку и внедрение этих технологий понадобилось больше времени, чем предполагалось. Поэтому большая часть этих вариантов до сих пор находится на научно-исследовательской и опытно-конструкторской стадии или существуют только в виде тестовых образцов.
Несмотря на различия всех этих технологий, они все схожи в том, что вся эта память энергонезависима, в отличие от применяемой сейчас DRAM. Также она позволяет осуществлять побитовую адресацию (чего не может используемая сейчас NAND-память), да и быстродействие, а также долговечность гораздо выше, нежели у распространенной сейчас флеш-памяти.
Как говорил выше, теперешний рынок памяти разделен между тремя типами:
- SRAM – используется в процессорах для кэширования, в качестве регистровой памяти, для обеспечения быстрого доступа к данным. Память этого типа очень быстродействующая, не требует регенерации ячеек, но имеет свои недостатки, как то: невысокую плотность размещения ячеек на кристалле, высокую стоимость.
- DRAM – используется в качестве оперативной памяти, а также в качестве буфера в SSD-накопителях.
- NAND – единственный тип, сохраняющий записанные данные при отключении питания. Используется в твердотельных накопителях, в качестве запоминающего устройства в мобильной технике и т. п.
В тренде сейчас 3D NAND – многослойная память, используемая в SSD. Ее активное освоение и внедрение привело к тому, что производство кремниевых пластин в 2017-м году возросло на 10%. При этом перечисленные технологии (FeRAM, STT-MRAM, память на нанотрубках) находятся на разных стадиях разработки и готовности к промышленному использованию. Причем вполне возможно, что ни один из этих типов не сможет стать монополистом, а многие из них найдут свою нишу в тех или иных устройствах.
До промышленного выпуска пока что добрались только 3D XPoint, а также MRAM, выпускаемая компанией Everspin, которая предлагает чипы емкостью 256 Мбит. Впрочем, ведущая четверка чипмейкеров (GlobalFoundries, Samsung, TSMC и UMC) готова начать производство такой памяти в ближайшем будущем. Свои исследования ведут также Intel, Micron и Toshiba-SK Hynix.
Такой чипмейкер, как GlobalFoundries, планирует выпускать свои чипы STT-MRAM по 22-нанометровому техпроцессу с использованием технологии FD-SOI. В перспективе ожидается переход на 12-нанометровый техпроцесс. Планируется и использование техпроцессов 14 нм и 7 нм на основе технологии finFET.
Принцип работы памяти MRAM и STT-MRAM
Отличие MRAM от других типов памяти состоит в том, что в ячейке хранится не электрический заряд, уровень которого и определяет значение бита данных, а изменяется электрическое сопротивление самой ячейки. Особенность данной технологии заключается в способе изменения этого сопротивления. В отличие от, например, памяти с использованием изменения фазового состояния вещества, для этого используются магнитные элементы памяти, использующие эффект магнитного туннельного перехода (MTJ – magnetic tunnel junction).
Если говорить упрощенно, ячейка MTJ состоит из пары ферромагнитных слоев, между которыми расположен тонкий диэлектрический слой, называемый также туннельным слоем, а также управляющего транзистора. Один из ферромагнитных слоев – это постоянный магнит с намагниченностью в определенном направлении, второй слой может изменять направление намагниченности (поляризации) в зависимости от воздействующего на него магнитного поля.
В результате направление ориентации намагниченности в слоях может либо совпадать, либо быть противоположным друг другу. При совпадении ориентации намагниченности, вследствие эффекта туннельного магнитосопротивления, электрическое сопротивление уменьшается, и это принимается за логический «0», а при противоположном направлении намагниченности в слоях сопротивление возрастает, и это интерпретируется как «1».
Теперь остается только приложить напряжение к транзистору и зафиксировать уровень тока через ячейку, он позволит определить, какое значение в ней записано.
Запись значения в ячейку памяти осуществляется при помощи формируемого магнитного поля. Тут кроется один из недостатков технологии MRAM – для магнитного поля требуется довольно много энергии, что нежелательно, особенно в случае применения таких микросхем в мобильных устройствах, где к энергоэффективности предъявляются особые требования.
Другой недостаток – индуцируемое магнитное поле при уменьшении размера ячеек начинает воздействовать на соседние ячейки, повышая риск искажения информации в них.
От многих недостатков позволяет избавиться технология STT-MRAM – модификация описанной выше MRAM, при которой изменение поляризации намагниченного слоя выполняется не за счет формирования магнитного поля, а при помощи переноса момента импульса электрона (spin) с заданным направлением поляризации. Вращающий момент этих электронов, попадающих в изменяемый ферромагнитный слой, передается намагниченности и ориентирует ее в заданном направлении. Отсюда и название этого варианта технологии - STT-MRAM (spin-torque-transfer MRAM).
Сейчас особый интерес вызывает вариант технологии, называемой перпендикулярной STT-MRAM. Суть состоит в том, что в первых образцах памяти спиновый момент электронов находился в плоскости, параллельной расположению слоев. В новом варианте этот момент направлен перпендикулярно расположению слоев. Это позволило сразу же получить несколько преимуществ: уменьшить токи, необходимые для переключения, уменьшить размер ячеек, уменьшить транзистор, увеличить плотность расположения элементов на кристалле, улучшить энергопотребление.
У STT-MRAM есть и другие достоинства:
- Сочетание характеристик, сходных с DRAM и SRAM, с энергонезависимостью.
- Фактически неограниченный срок службы ячеек.
- Высокая скорость работы при низком потреблении энергии.
Производство STT-MRAM
К сожалению, изготовить память STT-MRAM не так просто, как хотелось бы. Требуется новое оборудование, новые материалы. Осложняется все это тем, что процесс изготовления слоев отличается от того, что применяется при изготовлении привычных типов памяти.
Процесс выпуска микросхем STT-MRAM разделяется на две фазы. Вначале, используя обычные кремниевые пластины, изготавливаются нижние слои ячеек, формируются транзисторы, линии выбора слов и т. п. Эту часть производства называют FEOL (front-end-of-the-line).
Для завершения формирования микросхем частично обработанная пластина перемещается на вторую фазу, называемую BEOL (backend-of-the-line). Здесь наносятся слои с содержанием металлов, осуществляется соединение элементов медными проводниками, формируются линии выборки бит и завершается изготовление.
Так, традиционная DRAM целиком изготавливается на FEOL, причем процесс изготовления подразумевает некоторые операции, проводимые при высоких температурах. И тут возникает проблема. Магнитные слои (пленки) STT-MRAM очень тонкие и должны наноситься при гораздо более низких температурах. Мало того, изготовление требует очень высокой точности.
Процесс производства микросхем памяти STT-MRAM требует применения трех масок для трех этапов изготовления. Первый этап самый простой - формируется тонкий нижний электрод, т. е. линии выбора слов, управляющий транзистор.
Второй этап гораздо сложнее. Необходимо сформировать ячейку памяти MTJ, представляющую собой стек из тонких слоев, коих может быть 20-30 штук. Причем размещать их надо точно друг над другом с высочайшей точностью. Осложняется это тем, что эти слои могут быть в несколько ангстрем толщиной. Они нужны, чтобы обеспечить необходимый уровень намагниченности. И еще одна сложность этого этапа – недопущение доступа воздуха в процессе нанесения слоев. То есть требуется проведение всего процесса на одном и том же оборудовании.
Последний, третий этап – формирование верхнего электрода, линии выбора битов, выполнение соединений между ячейками.
Сама STT-MRAM состоит из ячеек MTJ. В каждой ячейке есть тонкий, примерно 10 ангстрем, диэлектрический туннельный слой, выполненный из оксида магния (MgO), окруженного двумя ферромагнитными слоями, основанными на составе кобальт-железо-бор (CoFeB). Толщина этих слоев составляет от 10 до 30 ангстрем. Через эти слои, включая туннельный слой, и протекает ток.
Интересной особенностью технологии памяти MRAM является возможность получения чипов с возможностями, близкими к флеш-памяти или соответствующими SRAM, т. е. возможность варьировать характеристики. Все зависит от того, как формируются слои.
Следующая операция, которая выполняется после окончания формирования всех слоев ячейки памяти - травление. При производстве STT-MRAM не применяется привычное реактивно-ионное травление (RIE), т. к. эта операция может повредить слои. Вместо этого применяется ионно-лучевое травление (IBE), т. е. бомбардирование материала пучком заряженных ионов. Эта технология травления все еще совершенствуется, т. к. на сегодняшний день у нее есть ограничения на размер удаляемых участков.
Применение STT-MRAM
Есть два основных пути применения этого типа памяти. Во-первых – это замена встраиваемой флеш-памяти, которая используется во многих устройствах. Во-вторых – замена встраиваемой SRAM. Второй вариант более сложный. Вообще, уже сложилось некое разделение сфер применения памяти. Так, STT-MRAM и ReRAM – хороший выбор для встраиваемых решений, а память, выполненная по технологии фазового перехода, ориентируется на использование в автономных устройствах – накопителях и т. п.
Планы по замене DRAM на STT-MRAM пока что остаются планами, т. к. эти разработки еще не вышли из этапа исследовательско-конструкторских работ.
Есть и другие препятствия в переходе на память STT-MRAM. В частности, эта технология еще должна доказать надежность и соответствие требованиям по безопасному хранению данных при высоких температурах, например, для применения в автомобильной промышленности.
Так, Everspin планирует использовать свою память в качестве замены микросхем DRAM, которые применяются для кэширования операций записи в SSD‑накопителях и в RAID системах. Особенность DRAM в том, что при исчезновении напряжения питания все данные, которые находились в ней, и которые еще не были записаны на носитель, будут утеряны. Чтобы предотвратить это, в SSD устанавливаются конденсаторы, способные обеспечить питанием накопитель для того, чтобы успеть записать все находящиеся в буфере данные. К сожалению, эти конденсаторы увеличивают стоимость накопителей. В RAID-массивах применяют резервные батареи.
Эту проблему решает применение памяти STT-MRAM. Т. к. она энергонезависима, то данные не пропадают, а, значит, можно отказаться от использования резервных батарей или конденсаторов.
Еще одна сфера применения – встраиваемая память, например, в микроконтроллерах. Обычно, в одном чипе находятся несколько компонентов – процессор, SRAM, встроенная память, контроллеры для периферийных устройств и т. п. Причем, в качестве встроенной памяти, являющейся хранилищем микрокода контроллера и т. п., выступает флеш-память.
Выпуск подобных микроконтроллеров переходит на более тонкие техпроцессы, например, с 40 нм на 28 нм. Соответственно, утончается техпроцесс и применяемой флеш-памяти. Проблема в том, что при более тонких техпроцессах у этой памяти ухудшается долговечность, падают скорости записи/чтения. При этом стоимость такой флеш-памяти увеличивается, т. к. усложняется технология изготовления, при которой требуется применения нескольких масок. Вдобавок появляются сложности с масштабированием.
Все это неизбежно приводит к поискам альтернатив, а, учитывая тот факт, что встроенная память все больше используется в самых разных устройствах, этому сегменту рынка уделяется особое внимание. Замена привычной флеш-памяти – не такая простая задача. Для ее решения новый тип памяти должен выполнять несколько условий, среди которых надежность, быстродействие, плотность ячеек на кристалле и, конечно же, стоимость.
Существующая флеш-память будет востребована еще долго, т. к. там, где она применяется (в мобильных устройствах, в автомобильной электронике и т. п.), она справляется со своей работой хорошо, сочетая производительность, надежность и стоимость на хорошем уровне.
И все же, похоже на то, что именно память STT-MRAM уже практически готова к внедрению и наступлению на позиции традиционной флеш-памяти. В этом одно из преимуществ этой технологии, т. к. альтернативные решения, такие, как ReRAM или память на нанотрубках, пока что не вышли из этапа исследований и опытных образцов.
В одном из последних отчетов GlobalFoundries объявила, что провела демонстрацию использования технологии STT-MRAM для хранения данных. Зафиксировано низкое количество возникающих ошибок и заявлена возможность хранения данных в течение 10 лет при температуре 125°C.
Встроенная память STT-MRAM при использовании в микроконтроллерах может применяться не только для хранения микрокода, но и взять на себя часть функций кэширования, выполняемых сейчас SRAM. Это позволит уменьшить ее количество на кристалле, сэкономив тем самым место и удешевив. О полной замене SRAM речь пока что не идет.
Заключение. MRAM - что это, будущее?
Вполне возможно. Именно эта технология является лидером в списке альтернатив используемым ныне типам памяти. Причем использованием в автопромышленности, в устройствах интернета вещей, в мобильных устройствах, в качестве буферной памяти и т. п. дело не ограничится. Есть замашки и на вытеснение DRAM.
Четверка основных производителей готова в ближайшем будущем наладить выпуск микросхем памяти, использующих технологию STT-MRAM. Другое дело, готов ли рынок принять их. Да, достоинств у новой технологии много. Это и скорость работы, и долговечность, которая даже «не снилась» используемой ныне флеш-памяти. Но есть и недостатки, даже если сравнивать с NAND. Плотность расположения ячеек у STT-MRAM пока что ниже, чем у флеш-памяти. Да и техпроцессы, по которым может выпускаться новая память, пока что «толще», чем используемые при производстве NAND. Стоимость пока что тоже выше.
В то же время на рынке присутствует дефицит флеш-памяти, активно развивается тема многослойной NAND. В общем, быстрота перехода на новую память вызывает вопросы. И все же вероятность того, что именно STT-MRAM станет преемником, в первую очередь, флеш-памяти очень велика. А как там дальше будет – посмотрим.
Магниторезистивная память с произвольным доступом ( MRAM ) - это тип энергонезависимой памяти с произвольным доступом, которая хранит данные в магнитных доменах . Сторонники этой технологии утверждали, что магниторезистивная ОЗУ, разработанная в середине 1980-х годов, в конечном итоге превзойдет конкурирующие технологии и станет доминирующей или даже универсальной памятью . В настоящее время используемые технологии памяти, такие как флэш-ОЗУ и DRAM, обладают практическими преимуществами, благодаря которым MRAM до сих пор занимала нишевую роль на рынке.
СОДЕРЖАНИЕ
Описание
В отличие от традиционных технологий микросхем RAM , данные в MRAM хранятся не в виде электрического заряда или тока, а с помощью магнитных запоминающих элементов. Элементы состоят из двух ферромагнитных пластин, каждая из которых может удерживать намагниченность, разделенных тонким изолирующим слоем. Одна из двух пластин представляет собой постоянный магнит, настроенный на определенную полярность; намагниченность другой пластины может быть изменена в соответствии с намагниченностью внешнего поля для хранения памяти. Эта конфигурация известна как магнитный туннельный переход и представляет собой простейшую структуру для бита MRAM . Устройство памяти строится из сетки таких «ячеек».
Самый простой способ считывания - измерение электрического сопротивления ячейки. Конкретная ячейка (обычно) выбирается путем включения связанного транзистора, который переключает ток с линии питания через ячейку на землю. Из-за туннельного магнитосопротивления электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от относительной ориентации намагниченности в двух пластинах. Измеряя результирующий ток, можно определить сопротивление внутри любой конкретной ячейки и, исходя из этого, полярность намагничивания записываемой пластины. Обычно, если две пластины имеют одинаковое выравнивание намагниченности (состояние низкого сопротивления), это считается равным «1», в то время как если выравнивание антипараллельное, сопротивление будет выше (состояние высокого сопротивления), и это означает «0».
Данные записываются в ячейки различными способами. В простейшем «классическом» варианте каждая ячейка находится между парой линий записи, расположенных под прямым углом друг к другу, параллельно ячейке, одна над и одна под ячейкой. Когда через них проходит ток, на стыке создается индуцированное магнитное поле , которое улавливает пластина с возможностью записи. Эта схема работы аналогична памяти с магнитным сердечником , системе, обычно используемой в 1960-х годах. Однако этот подход требует довольно значительного тока для генерации поля, что делает его менее интересным для использования с низким энергопотреблением, что является одним из основных недостатков MRAM. Кроме того, по мере уменьшения размера устройства наступает время, когда индуцированное поле перекрывает соседние ячейки на небольшой площади, что приводит к потенциальной ложной записи. Эта проблема, проблема половинного выбора (или нарушения записи), по-видимому, устанавливает довольно большой минимальный размер для этого типа ячейки. Одним из экспериментальных решений этой проблемы было использование круговых доменов, записываемых и считываемых с использованием гигантского магниторезистивного эффекта , но похоже, что это направление исследований больше не активно.
Более новый метод, вращающий момент с передачей спина (STT) или переключение с передачей спина , использует выровненные по спину («поляризованные») электроны для непосредственного вращения доменов. В частности, если электроны, втекающие в слой, должны изменить свой спин, это приведет к возникновению крутящего момента, который будет передан соседнему слою. Это снижает количество тока, необходимое для записи ячеек, делая его примерно таким же, как процесс чтения. Есть опасения, что "классический" тип ячейки MRAM будет иметь трудности при высоких плотностях из-за величины тока, необходимого во время записи, проблемы, которую позволяет избежать STT. По этой причине сторонники STT ожидают, что этот метод будет использоваться для устройств с длиной волны 65 нм и меньше. Обратной стороной является необходимость поддерживать согласованность вращения. В целом, STT требует гораздо меньшего тока записи, чем обычная или переключаемая MRAM. Исследования в этой области показывают, что ток STT можно уменьшить до 50 раз с помощью новой композитной структуры. Однако для работы на более высоких скоростях по-прежнему требуется более высокий ток.
Другие возможные устройства включают «MRAM с вертикальной транспортировкой» (VMRAM), в котором для изменения магнитной ориентации используется ток через вертикальный столбец, геометрическое расположение, которое уменьшает проблему нарушения записи и поэтому может использоваться с более высокой плотностью.
В обзорной статье представлены подробные сведения о материалах и проблемах, связанных с MRAM в перпендикулярной геометрии. Авторы описывают новый термин под названием «пенталемма», который представляет собой конфликт пяти различных требований, таких как ток записи, стабильность битов, читаемость, скорость чтения / записи и интеграция процесса с CMOS. Обсуждаются выбор материалов и конструкция MRAM для выполнения этих требований.
Сравнение с другими системами
Плотность
Основным фактором, определяющим стоимость системы памяти, является плотность компонентов, из которых она состоит. Компоненты меньшего размера и их меньшее количество означают, что на одном кристалле можно разместить больше «ячеек», что, в свою очередь, означает, что на одной кремниевой пластине может быть произведено сразу больше. Это повышает доходность, которая напрямую связана с затратами.
DRAM использует небольшой конденсатор в качестве элемента памяти, провода для передачи тока к нему и от него, а также транзистор для управления им, называемый ячейкой «1T1C». Это делает DRAM доступной в настоящее время оперативной памятью с самой высокой плотностью и, следовательно, наименее дорогой, поэтому она используется для большей части оперативной памяти компьютеров.
MRAM физически похожа на DRAM по структуре и часто требует транзистора для операции записи (хотя это и не является строго необходимым). Масштабирование транзисторов до более высокой плотности обязательно приводит к более низкому доступному току, что может ограничивать производительность MRAM в продвинутых узлах.
Потребляемая мощность
Поскольку конденсаторы, используемые в DRAM, со временем теряют свой заряд, блоки памяти, использующие DRAM, должны обновлять все ячейки в своих микросхемах несколько раз в секунду, считывая каждую и перезаписывая ее содержимое. По мере уменьшения размера ячеек DRAM необходимо чаще обновлять ячейки, что приводит к увеличению энергопотребления.
Напротив, MRAM никогда не требует обновления. Это означает, что он не только сохраняет свою память при выключенном питании, но также отсутствует постоянное потребление энергии. Хотя теоретически процесс чтения требует большей мощности, чем тот же процесс в DRAM, на практике разница оказывается очень близкой к нулю. Однако процесс записи требует большей мощности, чтобы преодолеть существующее поле, хранящееся в переходе, в три-восемь раз превышающую мощность, требуемую во время чтения. Хотя точный объем экономии энергии зависит от характера работы - более частая запись потребует больше энергии - в целом сторонники MRAM ожидают гораздо меньшего энергопотребления (до 99%) по сравнению с DRAM. MRAM на основе STT устраняют разницу между чтением и записью, что еще больше снижает требования к мощности.
Также стоит сравнить MRAM с другой распространенной системой памяти - флеш-памятью . Как и MRAM, флеш-память не теряет свою память при отключении питания, что делает ее очень распространенной в приложениях, требующих постоянного хранения. При использовании для чтения флэш-память и MRAM очень похожи по требованиям к питанию. Однако вспышка перезаписывается с использованием большого импульса напряжения (около 10 В), который накапливается с течением времени в зарядном насосе , что требует больших затрат энергии и времени. Кроме того, импульс тока физически разрушает ячейки флэш-памяти, что означает, что флэш-память может быть записана только некоторое конечное число раз, прежде чем ее необходимо будет заменить.
Напротив, MRAM требует лишь немного больше энергии для записи, чем для чтения, и без изменения напряжения, что устраняет необходимость в подкачке заряда. Это приводит к гораздо более быстрой работе, более низкому энергопотреблению и неограниченно долгому сроку службы.
Хранение данных
MRAM часто рекламируют как энергонезависимую память. Однако текущая основная MRAM большой емкости, память крутящего момента с передачей вращения, обеспечивает улучшенное удержание за счет более высокого энергопотребления, то есть более высокого тока записи. В частности, критический (минимальный) ток записи прямо пропорционален коэффициенту термической устойчивости Δ. Удержание, в свою очередь, пропорционально exp (Δ). Следовательно, удержание экспоненциально ухудшается с уменьшением тока записи.
Скорость
Производительность динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) ограничена скоростью, с которой заряд, хранящийся в ячейках, может быть истощен (для чтения) или сохранен (для записи). Работа MRAM основана на измерении напряжений, а не зарядов или токов, поэтому требуется меньше «времени установления». Исследователи IBM продемонстрировали устройства MRAM со временем доступа порядка 2 нс, что несколько лучше, чем даже самые продвинутые DRAM, построенные на гораздо более новых процессах. Команда из German Physikalisch-Technische Bundesanstalt продемонстрировала устройства MRAM со временем установления 1 нс, что лучше, чем принятые в настоящее время теоретические пределы для DRAM, хотя демонстрация проводилась с одной ячейкой. Различия по сравнению с флеш-памятью гораздо более значительны: скорость записи в тысячи раз выше. Однако эти сравнения скоростей не относятся к аналогичному току. Для памяти высокой плотности требуются небольшие транзисторы с пониженным током, особенно если они созданы с малой утечкой в режиме ожидания. В таких условиях время записи менее 30 нс не может быть достигнуто так легко. В частности, для обеспечения стабильности оплавления припоя 260 ° C в течение 90 секунд требовались импульсы 250 нс. Это связано с повышенными требованиями к термостабильности, которые приводят к увеличению количества ошибок по битам записи. Чтобы избежать пробоя из-за более высокого тока, необходимы более длинные импульсы.
Для перпендикулярной MRAM STT время переключения в значительной степени определяется термической стабильностью Δ, а также током записи. Большее Δ (лучше для сохранения данных) потребует большего тока записи или более длинного импульса. Сочетание высокой скорости и адекватного удержания возможно только при достаточно высоком токе записи.
Единственная современная технология памяти, которая легко конкурирует с MRAM с точки зрения производительности при сопоставимой плотности, - это статическая память с произвольным доступом (SRAM). SRAM состоит из серии транзисторов, расположенных в триггере , который будет удерживать одно из двух состояний, пока подается питание. Поскольку транзисторы имеют очень низкую потребляемую мощность, время их переключения очень низкое. Однако, поскольку ячейка SRAM состоит из нескольких транзисторов, обычно четырех или шести, ее плотность намного ниже, чем у DRAM. Это делает его дорогим, поэтому он используется только для небольших объемов высокопроизводительной памяти, особенно для кеш-памяти ЦП практически во всех современных конструкциях центральных процессоров .
Хотя MRAM не так быстр, как SRAM, он достаточно близок, чтобы быть интересным даже в этой роли. Учитывая его гораздо более высокую плотность, разработчик ЦП может быть склонен использовать MRAM, чтобы предложить гораздо больший, но несколько более медленный кеш, а не меньший, но более быстрый. Еще неизвестно, как этот компромисс будет развиваться в будущем.
Выносливость
На долговечность MRAM влияет ток записи, равно как и время удержания и скорость, а также ток чтения. Когда ток записи достаточно велик для скорости и удержания, необходимо учитывать вероятность выхода из строя MTJ. Если отношение тока чтения к току записи недостаточно мало, нарушение чтения становится более вероятным, т. Е. Ошибка чтения возникает во время одного из многих циклов переключения. Частота ошибок нарушения чтения определяется выражением 1 - exp (- (t read / τ) / exp (Δ (1- (I read / I crit )))), где τ - время релаксации (1 нс), а I крит. критический ток записи. Более высокая выносливость требует достаточно низко я прочитал / I крит . Однако меньшее значение I read также снижает скорость чтения.
Общий
MRAM имеет производительность, аналогичную SRAM, благодаря использованию достаточного тока записи. Однако эта зависимость от тока записи также затрудняет конкуренцию с более высокой плотностью, сравнимой с обычными DRAM и Flash. Тем не менее, некоторые возможности для MRAM существуют там, где нет необходимости максимизировать плотность. С точки зрения фундаментальной физики подход к MRAM, основанный на передаче крутящего момента, связан с «прямоугольником смерти», образованным требованиями удержания, выносливости, скорости и мощности, как описано выше.
| Уровень проектных параметров | Удержание | Выносливость | Скорость | Власть |
|---|---|---|---|---|
| Высокий ток записи | + | - (поломка) | + | - |
| Низкий ток записи | - | - (читать беспокоить) | - | + |
| Высокая Δ | + | - (поломка) | - | - (более высокий ток) |
| Низкая Δ | - | - (читать беспокоить) | + | + (более низкий ток) |
В то время как компромисс между мощностью и скоростью является универсальным для электронных устройств, компромисс между долговечностью и сохранением при высоком токе и ухудшением обоих при низком Δ является проблематичным. Выносливость в основном ограничена 10 8 циклами.
Альтернативы MRAM
Ограниченные циклы записи Flash и EEPROM представляют собой серьезную проблему для любой реальной роли, подобной RAM. Кроме того, высокая мощность, необходимая для записи ячеек, является проблемой в узлах с низким энергопотреблением, где часто используется энергонезависимая RAM. Также требуется время, чтобы «накопить» мощность в устройстве, известном как подкачка заряда , что делает запись значительно медленнее, чем чтение, часто всего на 1/1000 скорости. Хотя MRAM, безусловно, была разработана для решения некоторых из этих проблем, ряд других новых устройств памяти находится в производстве или был предложен для устранения этих недостатков.
На сегодняшний день единственная подобная система, которая поступает в массовое производство, - это сегнетоэлектрическая RAM или F-RAM (иногда называемая FeRAM).
Также наблюдается возобновление интереса к памяти на основе оксида кремния, нитрида, оксида кремния ( SONOS ) и ReRAM . 3D XPoint также находится в стадии разработки, но, как известно, имеет более высокий бюджет мощности, чем DRAM.
История
Приложения
Возможное практическое применение MRAM включает практически все устройства, внутри которых имеется какой-либо тип памяти, например, аэрокосмические и военные системы, цифровые камеры , ноутбуки , смарт-карты , мобильные телефоны , базовые станции сотовой связи, персональные компьютеры , замена SRAM с батарейным питанием , регистрация данных. специальные воспоминания ( решения « черный ящик» ), медиаплееры, книги для чтения и т. д.
Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) компании Everspin объединяет магнитные запоминающие элементы со стандартным технологическим процессом КМОП-логики (CMOS), в результате чего достигается высокая логическая емкость, низкая стоимость, полная энергонезависимость, высочайшая скорость чтения/записи, как у SRAM, и неограниченное количество циклов чтения/записи — сочетание свойств, которым не обладает ни одна другая технология стандартной или энергонезависимой памяти.
Сравнение микросхем памяти с параллельным интерфейсом и произвольной выборкой объемом 1 Мбит различных технологий изготовления приведено в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительные характеристики различных микросхем памяти
Ячейка памяти MRAM Everspin состоит из одного управляющего транзистора и одной ячейки памяти на основе магнитного туннельного эффекта (Magnetic Tunnel Junction, MTJ). Изделия MRAM производятся на основе 180- и 130-нм CMOS-процесса, при котором используются пять уровней металлизации, включая шины программирования, окруженные материалом с высокой проницаемостью для концентрации магнитного потока. Запатентованная компанией Everspin архитектура, структура запоминающих элементов и технология режима переключения ячеек памяти обеспечили появление энергонезависимой памяти с наилучшими в своем классе производительностью и высокой надежностью.
Основные преимущества памяти MRAM приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные преимущества памяти MRAM
Общее описание MRAM
MRAM основана на магнитных запоминающих элементах, интегрированных в CMOS технологический процесс. Каждая ячейка хранения построена на базе MTJ. Сама MTJ-ячейка представляет собой структуру из нескольких слоев: слоя с фиксированной поляризацией, тонкого диэлектрического туннельного барьера и свободного магнитного слоя. Когда на такой MTJ-элемент подается смещение, электроны поляризуются магнитным слоем и пересекают диэлектрический барьер за счет процесса, известного как туннелирование. Таким образом, MTJ-элемент имеет малое сопротивление, когда магнитный момент свободного слоя сонаправлен магнитному моменту фиксированного слоя, и высокое сопротивление, когда магнитный момент свободного слоя противонаправлен магнитному моменту фиксированного слоя. Такие изменения сопротивления, вызванные изменением магнитного состояния устройства, известны как магниторезистивный эффект. Отсюда и произошло название — магниторезистивная RAM.
В отличие от большинства других технологий изготовления памяти в MRAM данные хранятся как магнитные состояния вместо электрических зарядов и считываются путем измерения сопротивления ячейки, без влияния на ее магнитное состояние. Использование магнитных состояний для хранения информации имеет два главных преимущества. Во-первых, магнитная поляризация не имеет утечек со временем, как это происходит с зарядом, таким образом, информация на запоминающей ячейке остается даже после отключения напряжения питания. Во-вторых, переключение магнитной поляризации между двумя состояниями не влияет на движение электронов или атомов, и, таким образом, нет механизма износа запоминающих ячеек.
Чтобы получить высокую плотность памяти, ячейки MRAM, показанные на рис. 1, упорядочены в матрицу, в которой каждая шина записи перекрывает сотни или тысячи ячеек памяти, как показано на рис. 2. Во время выполнения операции записи импульс тока проходит через цифровую и битовую шины, изменяя значения только тех ячеек памяти, которые находятся на пересечении этих шин. Во время выполнения операции чтения изолирующий транзистор целевого элемента хранения данных открывается, создавая ток смещения MTJ, и полученный ток сравнивается с опорным током, чтобы определить состояние с высоким сопротивлением или с низким.
Среди технологий памяти следующего поколения большие перспективы имеет MRAM с переносом спинового момента, что обусловлено энергонезависимостью, высоким быстродействием и экономической эффективностью, однако с этими устройствами связано множество заблуждений
Магниторезистивная оперативная память с переносом спинового момента (ST-MRAM) становится наиболее перспективной технологией для запоминающих устройств следующих поколений. ST-MRAM энергонезависима, так как сохраняет данные при выключении питания. Она быстра, а скорости чтения и записи сравнимы с DRAM, и даже с кэш SRAM. Кроме того, она эффективна по стоимости, так как использует небольшую однотранзисторную битовую ячейку и требует лишь два или три дополнительных этапа маскирования.
Однако MRAM имеет свои особенности. Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных заблуждений или мифов о MRAM.
1. Запись в ST-MRAM на 100% предсказуема и детерминирована.
Скорее всего, именно так и вы думаете. Ведь если вы записываете один триллион раз в хорошую ячейку SRAM или DRAM памяти, то, не считая программных ошибок или различных внешних событий, ячейка будет корректно записана один триллион раз. Однако MRAM отличается тем, что установка вектора магнитной поляризации является вероятностным событием – запись в ячейку MRAM один триллион раз практически всегда будет выполнена, но изредка – нет. Одна из самых больших проблем технологии MRAM, требующих решения, заключается в снижении частоты ошибок записи (write error rate – WER) до минимально возможного уровня, а также в исправлении тех немногих ошибок, которые все же будут возникать.
2. Я увидел в документации очень впечатляющую характеристику MRAM – быстродействие. При скоростях от 2 до 3 нс создается впечатление, что она сможет полностью заменить SRAM.
Характеристики MRAM могли быть оптимизированы. Например, увеличение напряжения записи улучшает как время переключения, так и упомянутый выше показатель WER. Но есть и обратная сторона. Повышенное напряжение существенно увеличивает потребление мощности и снижает срок службы – количество циклов записи до износа туннельного барьера. Как и для всех типов памяти, ключом к созданию MRAM является поиск правильного сочетания скорости, потребляемой мощности, срока службы и времени сохранения информации, отвечающего требованиями приложения.
В этом отношении ST-MRAM имеет большие перспективы. Информация в ней не разрушается при выключенном питании. Ее быстродействие сопоставимо с DRAM, и даже кэш SRAM. Наконец, она недорога, поскольку использует небольшую однотранзисторную битовую ячейку и в производстве требует лишь двух или трех дополнительных операций литографии.
3. Современная MRAM – это практически та же память на магнитных сердечниках, которая использовалась несколько десятилетий назад, только меньше.
В категорию «MRAM» входят три поколения устройств. К первому поколению относятся устройства памяти на магнитных сердечниках и другие MRAM-устройства с малой степенью интеграции, в которых используется «коммутация поля» с двумя разновидностями технологий ST-MRAM. MRAM второго поколения – «плоскостные» – используют векторы магнитной поляризации, параллельные плоскости магнитного слоя (то есть, поверхности пластины). В «перпендикулярных» MRAM третьего поколения вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости пластины. Сегодня основные усилия разработчиков MRAM сосредоточены на устройствах с перпендикулярным магнитным туннельным переходом (magnetic-tunnel-junction – MTJ).
4. MRAM потребляет очень много энергии.
На самом деле потребляемая MRAM мощность крайне мала. Например, по сравнению с флэш-памятью, для записи бита данных в ST-MRAM требуется энергии в 1000…10000 раз меньше, что делает ее идеальной малопотребляющей памятью для устройств Интернета вещей. Используемая в приложениях SRAM, MRAM не расходует энергию на хранение данных. А в приложениях, аналогичных DRAM, MRAM не нуждается в энергии ни для хранения, ни для обновления данных. Таким образом, экономия мощности оказывается весьма значительной.
5. MRAM – самая сложная из всех технологий памяти следующего поколения.
На пути любой развивающейся технологии памяти возникают определенные сложности, и, конечно же, после прочтения предыдущих пунктов может показаться, что MRAM также сложна. Вероятностная природа MRAM создает проблемы для ее использования, и некоторые компании все еще борются над полным устранением битовых ошибок.
Тем не менее, в сравнении с другими технологиями памяти следующего поколения, принципы MRAM намного лучше изучены и коммерциализированы, поскольку эта технология пришла из индустрии дисковых накопителей. Магнитный туннельный переход в считывающей головке дискового накопителя подобен MTJ в плоской битовой ячейке MRAM. Ежегодно изготавливаются и устанавливаются во вращающиеся дисковые приводы многие сотни миллионов таких головок. И, возможно, самое важное – в MRAM все физические материалы статичны. Не требуется ни перемещения атомов, как в RRAM (резистивная память с произвольным доступом – ред.), ни изменения состояния материалов, как в ОЗУ на фазовых переходах.
6. MRAM является первичной памятью, имеющей скорость кэша SRAM и время хранения FLASH.
Это утверждение истинно, если каждую его часть рассматривать по отдельности, так как время хранения и скорость записи находятся в противоречии – увеличение одного приводит к ухудшению другого. Также верно, что по характеристикам хранения MRAM может не уступать флеш памяти, или превосходить ее, и при этом быть на несколько порядков более долговечной, быстрой и экономичной. Кроме того, хотя устройства MRAM и могут работать на скоростях кэш, при времени хранения, сопоставимом с флеш памятью, MRAM окажутся в несколько раз медленнее – их скорости записи, возможно, будут в диапазоне от 40 до 100 нс. Между тем, кэш MRAM с быстродействием менее 10 нс невозможно изготовить по обычной технологии ST-MRAM так, чтобы иметь время хранения больше секунд или, возможно, часов.
7. MRAM очень сложна в производстве.
На самом деле все этапы производства MRAM очень просты: послойное осаждение материалов, травление и формирование межсоединений. Конечно же, при изготовлении MRAM высокой плотности возникают определенные проблемы, связанные с разработкой материалов для внутренних слоев и процессом травления. Но однажды освоенная технология изготовления MRAM будет лишь немного дороже КМОП за счет всего двух или трех дополнительных операций литографии и связанных с ними производственных процессов.
8. Люди говорят о различных диаметрах магнитных туннельных переходов. Я думаю, что диаметр перехода должен соответствовать используемому техпроцессу.
Диаметр магнитного туннельного перехода слабо связан с топологическими нормами используемого техпроцесса. MTJ должен быть достаточно малым, чтобы соответствовать площади элементов, изготавливаемых в базовом техпроцессе, но обычно его размеры бывают намного больше. Например, в техпроцессе изготовления логических схем с проектными нормами 28 нм, скорее всего, будут использоваться MTJ диаметром от 40 до 60 нм. Выбор диаметра MTJ на самом деле достаточно сложен, поскольку многие его свойства меняются при уменьшении размеров устройства.
9. Оборудование для производства MRAM заимствуется из индустрии жестких дисков и не годится для крупносерийного изготовления полупроводников.
Сегодня TEL, Applied Materials, отделение Anelva группы Canon, Singulus, LAM и другие компании разрабатывают или поставляют оборудование для массового производства 300-мм пластин MRAM
10. Исходящее из MRAM магнитное поле будет нарушать работу расположенных ниже КМОП схем, так же как магнитные датчики и компасы в мобильных устройствах.
Поле небольшого столбика MTJ очень быстро спадает, и на глубине полевого транзистора им уже можно пренебречь.
11. Вероятность потери данных в памяти MRAM выше, чем в SRAM.
В устройствах SRAM и DRAM всегда существует вероятность потери данных из-за воздействия фонового ионизирующего излучения. И эта проблема усугубляется, поскольку размеры элементов постоянно уменьшаются. Для устройств хранения на основе MTJ MRAM такой проблемы не существует, так как по своей природе они невосприимчивы к ионизирующему излучению. Это значит, что технология MRAM, в сочетании с соответствующей КМОП технологией, идеальна для аэрокосмических приложений и других областей, где присутствует радиация.
Читайте также: