Οι πιο πρόσφατες τεχνολογίες νανο-μεγέθους για εγγραφή σε μαγνητικούς δίσκους. Μαγνητοσυστατική μνήμη

Οι νανοκοκκώδεις σιδηρομαγνήτες χρησιμοποιούνται με επιτυχία για την εγγραφή και την ανάγνωση μεγάλων συμπαγών συστοιχιών πληροφοριών όχι μόνο σε μαγνητικούς δίσκους, αλλά και στη μνήμη RAM του υπολογιστή.

Στοιχειώδες στοιχείο της τελευταίας μαγνητικής μνήμης

Το στοιχειώδες στοιχείο μιας τέτοιας μνήμης είναι συνήθως μια πολυστρωματική δομή (Εικ. 11.9), η οποία συνδυάζει ένα στοιχείο σιδηρομαγνητικής μνήμης και έναν αισθητήρα μαγνητοαντίστασης σήραγγας.

Ρύζι. 11.9.

Ο σιδηρομαγνήτης του στρώματος αποθήκευσης, αν και έχει μια καταναγκαστική δύναμη επαρκή για να διατηρήσει τις καταγεγραμμένες πληροφορίες για μεγάλο χρονικό διάστημα, μπορεί ακόμα να επαναμαγνητιστεί από ένα ισχυρό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Στις δημοσιεύσεις που αφορούν τη μαγνητοαντιστική μνήμη, συνήθως ονομάζεται «ελεύθερο» σιδηρομαγνητικό στρώμα. Και το μαγνητικά σκληρό στρώμα λειτουργεί ως μόνιμος μαγνήτης, η καταναγκαστική του δύναμη είναι πολύ μεγαλύτερη και η κατεύθυνση της μαγνήτισης παραμένει αμετάβλητη ακόμη και σε ισχυρά πεδία. Κατά συνέπεια, ονομάζεται συνήθως «σταθερό» σιδηρομαγνητικό στρώμα. Το γράφημα στα δεξιά δείχνει μια τυπική εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης ενός τέτοιου στοιχείου από την τάση του εξωτερικού μαγνητικό πεδίο. Όταν το στρώμα αποθήκευσης μαγνητιστεί αντίθετα από το σταθερό σιδηρομαγνητικό στρώμα, τότε ηλεκτρική αντίστασητα κύτταρα είναι μεγάλα. Όταν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο υπερβαίνει την καταναγκαστική δύναμη του στρώματος αποθήκευσης, επαναμαγνητίζεται, η ηλεκτρική αντίσταση της κυψέλης πέφτει απότομα, παραμένοντας η ίδια χαμηλή ακόμη και μετά την εξαφάνιση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Αυτό σας επιτρέπει να ελέγχετε ανά πάσα στιγμή σε ποια κατάσταση ("0" ή "1") βρίσκεται το στοιχείο αποθήκευσης του κελιού.

Η μνήμη RAM που δημιουργείται από τέτοια κελιά ονομάζεται MRAM στις αγγλόφωνες πηγές ( μαγνητοαντιστατική μνήμη τυχαίας πρόσβασης). Στις εγχώριες εκδόσεις αποκαλείται επίσης «μαγνητιστική μνήμη», αν και αυτό δεν είναι απολύτως ακριβές. Άλλωστε, οι πληροφορίες (κατεύθυνση μαγνήτισης) απομνημονεύονται και αποθηκεύονται ακριβώς στο στρώμα σιδηρομαγνητικής αποθήκευσης και καθόλου στον αισθητήρα μαγνητοαντίστασης. Επομένως, θα ήταν πιο ακριβές να ονομαστεί αυτός ο τύπος μνήμης "μαγνητική μνήμη τυχαίας πρόσβασης" (RAM). Αλλά αυτό το όνομα υπήρχε ήδη στην ιστορία της ανάπτυξης της τεχνολογίας υπολογιστών: για μεγάλο χρονικό διάστημα αυτό ήταν το όνομα για τη μνήμη RAM σε μικροσκοπικούς δακτυλίους φερρίτη, που αναφέραμε στην προηγούμενη διάλεξη. Για να μην δημιουργηθούν λόγοι σύγχυσης, θα ονομάσουμε και αυτόν τον τύπο μνήμης μαγνητοαντιστατική μνήμη τυχαίας πρόσβασης ή μαγνητοαντιστική μνήμη RAM(MROZU).

Οργάνωση Matrix του MROZU

Μαγνητοσυστατικά κύτταρα του τύπου που φαίνεται στο Σχ.

Ρύζι. 11.10.

Ένα από αυτά τα συστήματα διαύλου συνδέεται με τις εξόδους του αποκωδικοποιητή διευθύνσεων. Αυτά είναι λεωφορεία διευθύνσεων, τα οποία μερικές φορές ονομάζονται επίσης «λεωφορεία επιλογής λέξεων» ή «λεωφορεία λέξεων». Όταν παρέχεται ένας κωδικός διεύθυνσης στον αποκωδικοποιητή RAM, ο αποκωδικοποιητής ενεργοποιεί μόνο έναν από αυτούς τους διαύλους, ο σειριακός αριθμός του οποίου αντιστοιχεί στην καθορισμένη διεύθυνση. Οι κάθετες γραμμές bit αντιστοιχούν στα μεμονωμένα bit της επιλεγμένης λέξης που διαβάζονται ή γράφονται. Επομένως, αυτά τα λεωφορεία μερικές φορές ονομάζονται επίσης λεωφορεία "bit".

11.11. Αυτός ο άξονας σχηματίζει μια γωνία με κάθε σύστημα ελαστικών.

Ρύζι. 11.11.

Οι πληροφορίες καταγράφονται με ψηφία. Το σχηματικό διάγραμμα της καταγραφής φαίνεται στο Σχ.

11.13. Στην αρχή της εγγραφής, η δυαδική διεύθυνση -bit της λέξης που πρέπει να γραφτεί παρέχεται στον αποκωδικοποιητή Dsh και ο δυαδικός κώδικας παρέχεται στον καταχωρητή της λέξης που γράφεται. Σύμφωνα με τη δεδομένη διεύθυνση, η Dsh «επιλέγει» έναν από τους διαύλους, για παράδειγμα, τον δίαυλο διεύθυνσης, και ανοίγει την αντίστοιχη βαλβίδα (για παράδειγμα, ένα τρανζίστορ MOS). Μέσω αυτού, ένας παλμός ηλεκτρικού ρεύματος από την πηγή ρεύματος εγγραφής (RCS) παρέχεται στο δίαυλο της επιλεγμένης λέξης. Η κατεύθυνση αυτού του ρεύματος καθορίζεται από το bit ("0" ή "1") που πρέπει να γραφτεί. Ο καταχωρητής της γραπτής λέξης στέλνει εναλλάξ σήματα στην τρέχουσα πηγή κάθε γραμμής bit (IT1, IT2, ..., ITm), υπό την επίδραση των οποίων παρέχεται ένας παλμός ρεύματος μιας ή της άλλης κατεύθυνσης στη γραμμή bit.

11.14. Αριστερά (Εικ. 11.14.α) εμφανίζεται η μήτρα μαγνητοαντίστασης μνήμης. Τα βέλη δείχνουν τις κατευθύνσεις ροής ηλεκτρικού ρεύματος μέσω των επιλεγμένων διαύλων bit και διευθύνσεων. Οι διακεκομμένες γραμμές αντιπροσωπεύουν συμβατικά τις γραμμές μαγνητικού πεδίου των αντίστοιχων ρευμάτων. Ρύζι. 11.13.) στο επίπεδο μνήμης με αντίθετες κατευθύνσεις ρεύματος (κάτοψη). Η κατεύθυνση μαγνήτισης του μαγνητικά σκληρού (σταθερού) στρώματος του στοιχείου υποδεικνύεται με. Σε μια περίπτωση

ηλεκτρικά ρεύματα

το στρώμα μνήμης επαναμαγνητίζεται παράλληλα, και με αντίθετες κατευθύνσεις ρευμάτων - αντιπαράλληλες. Το μέγεθος των ρευμάτων εγγραφής πρέπει να επιλέγεται έτσι ώστε το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται μόνο από ένα από τα ρεύματα να είναι ανεπαρκές για να επαναμαγνητίσει τις κυψέλες δίπλα στον αντίστοιχο δίαυλο. Και μόνο ενεργώντας μαζί σε μια επιλεγμένη κυψέλη μνήμης, αυτά τα ρεύματα θα πρέπει να δημιουργήσουν ένα συνολικό μαγνητικό πεδίο που υπερβαίνει την καταναγκαστική δύναμη και επαναμαγνητίζει το στρώμα μνήμης προς την επιθυμητή κατεύθυνση.

Spin-transfer magnetoresistive random access memory (ST-MRAM) αναδύεται ως η πιο πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για την επόμενη γενιά συσκευών μνήμης. Το ST-MRAM είναι μη πτητικό καθώς διατηρεί δεδομένα όταν είναι απενεργοποιημένο. Είναι γρήγορο και οι ταχύτητες ανάγνωσης και εγγραφής είναι συγκρίσιμες με τη μνήμη DRAM, ακόμη και με την κρυφή μνήμη SRAM. Είναι επίσης οικονομικά αποδοτικό επειδή χρησιμοποιεί μια μικρή κυψέλη bit ενός τρανζίστορ και απαιτεί μόνο δύο ή τρία επιπλέον στάδια κάλυψης.

Πιθανότατα, αυτό ακριβώς πιστεύεις. Εξάλλου, εάν γράψετε ένα τρισεκατομμύριο φορές σε μια καλή κυψέλη μνήμης SRAM ή DRAM, τότε, χωρίς να υπολογίζονται τα σφάλματα λογισμικού ή τα διάφορα εξωτερικά συμβάντα, το κελί θα γραφτεί σωστά ένα τρισεκατομμύριο φορές. Ωστόσο, το MRAM διαφέρει στο ότι η ρύθμιση του διανύσματος μαγνητικής πόλωσης είναι ένα πιθανό γεγονός - η εγγραφή σε μια κυψέλη MRAM ένα τρισεκατομμύριο φορές θα είναι σχεδόν πάντα επιτυχής, αλλά μερικές φορές όχι. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που πρέπει να ξεπεράσει η τεχνολογία MRAM είναι η μείωση του ποσοστού σφαλμάτων εγγραφής (WER) στο χαμηλότερο δυνατό επίπεδο και η διόρθωση των λίγων σφαλμάτων που συμβαίνουν.

2. Είδα στην τεκμηρίωση ένα πολύ εντυπωσιακό χαρακτηριστικό του MRAM - απόδοση. Σε ταχύτητες 2 έως 3 ns, φαίνεται ότι θα μπορούσε να αντικαταστήσει πλήρως τη SRAM.

Τα χαρακτηριστικά του MRAM θα ​​μπορούσαν να βελτιστοποιηθούν. Για παράδειγμα, η αύξηση της τάσης εγγραφής βελτιώνει τόσο τον χρόνο μεταγωγής όσο και το WER που αναφέρθηκε παραπάνω. Υπάρχει όμως και ένα μειονέκτημα. Η αυξημένη τάση αυξάνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας και μειώνει τη διάρκεια ζωής - ο αριθμός των κύκλων εγγραφής πριν φθαρεί το φράγμα της σήραγγας. Όπως συμβαίνει με όλους τους τύπους μνήμης, το κλειδί για το σχεδιασμό του MRAM είναι η εύρεση του σωστού συνδυασμού ταχύτητας, κατανάλωσης ενέργειας, διάρκειας ζωής και χρόνου διατήρησης για την κάλυψη των απαιτήσεων της εφαρμογής.

Από αυτή την άποψη, το ST-MRAM υπόσχεται πολλά. Οι πληροφορίες σε αυτό δεν καταστρέφονται όταν απενεργοποιηθεί η τροφοδοσία. Η απόδοσή του είναι συγκρίσιμη με DRAM, ακόμα και με την κρυφή μνήμη SRAM. Τέλος, είναι φθηνό επειδή χρησιμοποιεί μια μικρή κυψέλη bit ενός τρανζίστορ και απαιτεί μόνο δύο ή τρεις πρόσθετες λειτουργίες λιθογραφίας για την παραγωγή.

3. Το σύγχρονο MRAM είναι ουσιαστικά η ίδια μνήμη μαγνητικού πυρήνα που χρησιμοποιήθηκε πριν από αρκετές δεκαετίες, μόνο μικρότερη.

Η κατηγορία MRAM περιλαμβάνει τρεις γενιές συσκευών. Η πρώτη γενιά περιλαμβάνει συσκευές μνήμης μαγνητικού πυρήνα και άλλες συσκευές MRAM χαμηλής ενσωμάτωσης που χρησιμοποιούν «εναλλαγή πεδίου» με δύο ποικιλίες τεχνολογιών ST-MRAM. MRAM δεύτερης γενιάς - "επίπεδα" - χρησιμοποιούν διανύσματα μαγνητικής πόλωσης παράλληλα με το επίπεδο του μαγνητικού στρώματος (δηλαδή, την επιφάνεια του πλακιδίου). Στα «κάθετα» MRAM τρίτης γενιάς, το διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής είναι κάθετο στο επίπεδο του πλακιδίου. Σήμερα, οι κύριες προσπάθειες των προγραμματιστών MRAM επικεντρώνονται σε συσκευές με κάθετη διασταύρωση μαγνητικής σήραγγας (MTJ).

4. Το MRAM καταναλώνει πολλή ενέργεια.

Στην πραγματικότητα, η κατανάλωση ενέργειας του MRAM είναι εξαιρετικά χαμηλή. Για παράδειγμα, σε σύγκριση με τη μνήμη flash, το ST-MRAM απαιτεί 1000 έως 10.000 φορές λιγότερη ενέργεια για να γράψει ένα κομμάτι δεδομένων, καθιστώντας το ιδανική μνήμη χαμηλής κατανάλωσης για συσκευές IoT. Χρησιμοποιείται σε εφαρμογές SRAM, το MRAM δεν σπαταλά δεδομένα αποθήκευσης ενέργειας. Και σε εφαρμογές παρόμοιες με το DRAM, το MRAM δεν απαιτεί ενέργεια ούτε για αποθήκευση ούτε για ενημέρωση δεδομένων. Έτσι, η εξοικονόμηση ενέργειας είναι αρκετά σημαντική.

5. Το MRAM είναι η πιο σύνθετη από όλες τις τεχνολογίες μνήμης επόμενης γενιάς.

Όποιος βρίσκεται στο δρόμο ανάπτυξη τεχνολογίαςΗ μνήμη έχει τις δικές της προκλήσεις και φυσικά, αφού διαβάσετε τις προηγούμενες παραγράφους, μπορεί να φαίνεται ότι το MRAM είναι επίσης πολύπλοκο. Η πιθανολογική φύση του MRAM θέτει προκλήσεις στη χρήση του και ορισμένες εταιρείες εξακολουθούν να αγωνίζονται να εξαλείψουν πλήρως τα σφάλματα bit.

Ωστόσο, σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες μνήμης επόμενης γενιάς, οι αρχές του MRAM είναι πολύ καλύτερα κατανοητές και εμπορευματοποιούνται δεδομένου ότι η τεχνολογία προέρχεται από τη βιομηχανία της μονάδας δίσκου. Διασταύρωση μαγνητικής σήραγγας στην κεφαλή ανάγνωσης σκληρός δίσκοςπαρόμοιο με το MTJ σε μια επίπεδη κυψέλη bit MRAM. Κατασκευάζεται και τοποθετείται ετησίως εκ περιτροπής οδηγοί δίσκωνπολλές εκατοντάδες εκατομμύρια τέτοια κεφάλια. Και ίσως το πιο σημαντικό, στο MRAM όλα τα φυσικά υλικά είναι στατικά. Δεν χρειάζεται να μετακινήσετε άτομα, όπως στη RRAM (αντιστική μνήμη τυχαίας πρόσβασης - επιμ.), ή να αλλάξετε την κατάσταση των υλικών, όπως στη μνήμη RAM μετάβασης φάσης.

6. Το MRAM είναι η κύρια μνήμη, με την ταχύτητα cache του SRAM και το χρόνο διατήρησης του FLASH.

Αυτή η δήλωση είναι αληθής εάν κάθε μέρος εξετάζεται χωριστά, καθώς ο χρόνος αποθήκευσης και η ταχύτητα εγγραφής βρίσκονται σε σύγκρουση - μια αύξηση του ενός οδηγεί σε επιδείνωση του άλλου. Είναι επίσης αλήθεια ότι το MRAM μπορεί να ταιριάζει ή να υπερβαίνει την απόδοση αποθήκευσης της μνήμης flash, ενώ είναι τάξεις μεγέθους πιο ανθεκτικό, ταχύτερο και οικονομικότερο. Επιπλέον, αν και οι συσκευές MRAM μπορούν να λειτουργούν σε ταχύτητες κρυφής μνήμης, με χρόνους αποθήκευσης συγκρίσιμους με τη μνήμη flash, τα MRAM θα ​​είναι αρκετές φορές πιο αργά - οι ταχύτητες εγγραφής τους θα είναι πιθανώς στην περιοχή από 40 έως 100 ns. Εν τω μεταξύ, οι κρυφές μνήμες MRAM με ταχύτητες μικρότερες από 10 ns δεν μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τη συμβατική τεχνολογία ST-MRAM για να έχουν χρόνο διατήρησης μεγαλύτερο από δευτερόλεπτα ή πιθανώς ώρες.

7. Το MRAM είναι πολύ δύσκολο να κατασκευαστεί.

Στην πραγματικότητα, όλα τα στάδια της παραγωγής MRAM είναι πολύ απλά: εναπόθεση υλικών στρώμα-στρώμα, χάραξη και σχηματισμός διασυνδέσεων. Φυσικά, η κατασκευή MRAM υψηλής πυκνότητας θέτει ορισμένες προκλήσεις που σχετίζονται με την ανάπτυξη υλικών για τα εσωτερικά στρώματα και τη διαδικασία χάραξης. Αλλά μόλις κατακτηθεί, η τεχνολογία MRAM θα ​​είναι ελαφρώς πιο ακριβή από το CMOS, λόγω μόλις δύο ή τριών επιπλέον βημάτων λιθογραφίας και των σχετικών διαδικασιών παραγωγής.

8. Οι άνθρωποι μιλούν για διαφορετικές διαμέτρους μαγνητικών κόμβων σήραγγας. Νομίζω ότι η διάμετρος της μετάβασης πρέπει να ταιριάζει με τη διαδικασία που χρησιμοποιείται.

Η διάμετρος της διασταύρωσης της μαγνητικής σήραγγας σχετίζεται ασθενώς με τα τοπολογικά πρότυπα της τεχνικής διαδικασίας που χρησιμοποιείται. Το MTJ πρέπει να είναι αρκετά μικρό ώστε να ταιριάζει στην περιοχή των στοιχείων που παράγονται στη βασική διαδικασία, αλλά οι διαστάσεις του είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερες. Για παράδειγμα, στη διαδικασία παραγωγής λογικά κυκλώματαμε πρότυπα σχεδίασης 28 nm, πιθανότατα θα χρησιμοποιηθούν MTJ με διάμετρο μεταξύ 40 και 60 nm. Η επιλογή της διαμέτρου MTJ είναι στην πραγματικότητα αρκετά περίπλοκη, καθώς πολλές από τις ιδιότητές της αλλάζουν καθώς μειώνεται το μέγεθος της συσκευής.

9. Ο εξοπλισμός κατασκευής MRAM είναι δανεισμένος από τη βιομηχανία σκληρών δίσκων και δεν είναι κατάλληλος για κατασκευή ημιαγωγών μεγάλου όγκου.

Σήμερα, η TEL, η Applied Materials, το τμήμα Anelva της Canon, η Singulus, η LAM και άλλες εταιρείες αναπτύσσουν ή προμηθεύουν εξοπλισμό για μαζική παραγωγή γκοφρέτων MRAM 300 mm

10. Το μαγνητικό πεδίο που προέρχεται από το MRAM θα ​​διαταράξει τη λειτουργία των υποκείμενων κυκλωμάτων CMOS, ακριβώς όπως μαγνητικούς αισθητήρεςκαι πυξίδες μέσα κινητές συσκευές.

Το πεδίο μιας μικρής στήλης MTJ πέφτει πολύ γρήγορα και στο βάθος του τρανζίστορ φαινομένου πεδίου μπορεί ήδη να παραμεληθεί.

11. Η μνήμη MRAM είναι πιο πιθανό να χάσει δεδομένα από τη SRAM.

Στις συσκευές SRAM και DRAM, υπάρχει πάντα η πιθανότητα απώλειας δεδομένων λόγω έκθεσης σε ιονίζουσα ακτινοβολία περιβάλλοντος. Και αυτό το πρόβλημα επιδεινώνεται καθώς τα μεγέθη των στοιχείων γίνονται συνεχώς μικρότερα. Αυτό το πρόβλημα δεν υπάρχει για συσκευές αποθήκευσης που βασίζονται στο MTJ MRAM, καθώς είναι εγγενώς ανοσίες στην ιονίζουσα ακτινοβολία. Αυτό σημαίνει ότι η τεχνολογία MRAM, όταν συνδυάζεται με την αντίστοιχη τεχνολογία CMOS, είναι ιδανική για αεροδιαστημικές εφαρμογές και άλλες περιοχές όπου υπάρχει ακτινοβολία.

Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται κυρίως τρεις τύποι μνήμης ως συσκευές αποθήκευσης - SRAM, DRAM και μνήμη flash, πιο συχνά NAND. Εδώ και αρκετό καιρό, έχουν αναπτυχθεί εναλλακτικές τεχνολογίες για τη δημιουργία τσιπ μνήμης που μπορούν να αντικαταστήσουν ορισμένες από τις υπάρχουσες συσκευές μνήμης ή, ίσως, να προσφέρουν μια καθολική λύση που είναι κατάλληλη για οποιαδήποτε εφαρμογή. Μια τέτοια τεχνολογία είναι η MRAM και η νεότερη παραλλαγή της ST-MRAM ή STT-MRAM (spin-transfer torque magnetoresistive RAM - memory using spin-moment transfer technology). MRAM - τι είδους θηρίο είναι; Ας το καταλάβουμε.

Υποσχόμενες τεχνολογίες

Πρέπει να ειπωθεί ότι αυτή τη στιγμή υπάρχουν πολλές διαφορετικές επιλογές σε εξέλιξη που ενδέχεται να χρησιμοποιηθούν ως συσκευή αποθήκευσης στο άμεσο μέλλον. Μία από τις επιλογές που περιέγραψα πρόσφατα είναι κοινή ανάπτυξη, το οποίο, σύμφωνα με μια εκδοχή, χρησιμοποιεί το αποτέλεσμα μιας μετάβασης φάσης της ύλης, και σύμφωνα με μια άλλη, κάποια άλλη τεχνολογία, για τις λεπτομέρειες της οποίας προτιμούν να μην μιλάνε.

Μεταξύ των άλλων:

• Μνήμη σε νανοσωλήνες.
• Σιδηροηλεκτρική RAM (Ferroelectric RAM, FeRAM ή FRAM).
• (RRAM, ReRAM, Resistive random-access memory) και μια σειρά από άλλα.

Νομίζω ότι σταδιακά θα εξοικειωθούμε με όλες αυτές τις τεχνολογίες.

Η ανάπτυξη και η εφαρμογή αυτών των τεχνολογιών διήρκεσε περισσότερο από το αναμενόμενο. Ως εκ τούτου, οι περισσότερες από αυτές τις επιλογές βρίσκονται ακόμη στο στάδιο έρευνας και ανάπτυξης ή υπάρχουν μόνο με τη μορφή δειγμάτων δοκιμής.

Παρά τις διαφορές μεταξύ όλων αυτών των τεχνολογιών, είναι όλες παρόμοιες στο ότι όλη αυτή η μνήμη είναι μη πτητική, σε αντίθεση με τη μνήμη DRAM που χρησιμοποιείται σήμερα. Επιτρέπει επίσης τη διευθυνσιοδότηση bit (κάτι που η μνήμη NAND που χρησιμοποιείται αυτή τη στιγμή δεν μπορεί) και η ταχύτητα και η ανθεκτικότητα είναι πολύ υψηλότερες από την τρέχουσα κοινή μνήμη flash.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η τρέχουσα αγορά μνήμης χωρίζεται σε τρεις τύπους:

• SRAM - χρησιμοποιείται σε επεξεργαστές για προσωρινή αποθήκευση, ως μνήμη μητρώου, για παροχή γρήγορη πρόσβασηστα δεδομένα. Η μνήμη αυτού του τύπου είναι πολύ γρήγορη, δεν απαιτεί αναγέννηση κυττάρων, αλλά έχει τα μειονεκτήματά της, όπως: χαμηλή πυκνότητα κυττάρων στο τσιπ, υψηλό κόστος.
• Η DRAM χρησιμοποιείται ως RAM και επίσης ως buffer σε μονάδες SSD.
• Το NAND είναι ο μόνος τύπος που διατηρεί γραπτά δεδομένα όταν αφαιρείται η τροφοδοσία. Χρησιμοποιείται σε μονάδες SSD, ως συσκευή αποθήκευσης κινητή τεχνολογίακαι ούτω καθεξής.

Η τάση τώρα χρησιμοποιείται στους SSD. Αυτήν

Η ενεργός ανάπτυξη και εφαρμογή οδήγησε στο γεγονός ότι η παραγωγή γκοφρετών πυριτίου το 2017 αυξήθηκε κατά 10%. Παράλληλα, οι αναγραφόμενες τεχνολογίες (FeRAM, STT-MRAM, μνήμη νανοσωλήνων) βρίσκονται σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης και ετοιμότητας για βιομηχανική χρήση. Επιπλέον, είναι πολύ πιθανό κανένας από αυτούς τους τύπους να μην μπορέσει να γίνει μονοπώλιος και πολλοί από αυτούς θα βρουν τη θέση τους σε ορισμένες συσκευές.

Μέχρι στιγμής, μόνο το 3D XPoint έχει φτάσει σε βιομηχανική κυκλοφορία, καθώς και το MRAM που κατασκευάζεται από την Everspin, το οποίο προσφέρει τσιπ χωρητικότητας 256 Mbit. Ωστόσο, οι τέσσερις κορυφαίοι κατασκευαστές chip (GlobalFoundries, Samsung, TSMC και UMC) είναι έτοιμοι να ξεκινήσουν την παραγωγή τέτοιας μνήμης στο εγγύς μέλλον. Η Intel, η Micron και η Toshiba-SK Hynix διεξάγουν επίσης την έρευνά τους.

Ένας κατασκευαστής τσιπ όπως η GlobalFoundries σχεδιάζει να παράγει τα τσιπ STT-MRAM σε μια διαδικασία 22 νανομέτρων χρησιμοποιώντας τεχνολογία FD-SOI. Στο μέλλον, αναμένεται μια μετάβαση σε τεχνολογία διεργασίας 12 νανομέτρων. Προβλέπεται επίσης η χρήση τεχνολογιών διεργασίας 14 nm και 7 nm που βασίζονται στην τεχνολογία finFET.

Αρχή λειτουργίας MRAM και STT-MRAM

Η διαφορά μεταξύ του MRAM και άλλων τύπων μνήμης είναι ότι η κυψέλη δεν αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο, το επίπεδο του οποίου καθορίζει την τιμή του bit δεδομένων, αλλά η ηλεκτρική αντίσταση της ίδιας της κυψέλης αλλάζει. Η ιδιαιτερότητα αυτής της τεχνολογίας έγκειται στον τρόπο που αλλάζει αυτή η αντίσταση. Σε αντίθεση, για παράδειγμα, με τη μνήμη που χρησιμοποιεί μια αλλαγή στην κατάσταση φάσης μιας ουσίας, τα στοιχεία μαγνητικής μνήμης χρησιμοποιούνται για αυτό, χρησιμοποιώντας την επίδραση μιας διασταύρωσης μαγνητικής σήραγγας (MTJ - μαγνητική διασταύρωση σήραγγας).

Για να το θέσω απλά, ένα κύτταρο MTJ αποτελείται από ένα ζεύγος σιδηρομαγνητικών στρωμάτων, μεταξύ των οποίων υπάρχει ένα λεπτό διηλεκτρικό στρώμα, που ονομάζεται επίσης στρώμα σήραγγας, καθώς και τρανζίστορ ελέγχου. Ένα από τα σιδηρομαγνητικά στρώματα είναι ένας μόνιμος μαγνήτης με μαγνήτιση προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, το δεύτερο στρώμα μπορεί να αλλάξει την κατεύθυνση μαγνήτισης (πόλωση) ανάλογα με το μαγνητικό πεδίο που ενεργεί σε αυτό.

Ως αποτέλεσμα, η κατεύθυνση του προσανατολισμού μαγνήτισης στα στρώματα μπορεί είτε να συμπίπτει είτε να είναι αντίθετη μεταξύ τους. Όταν ο προσανατολισμός μαγνήτισης συμπίπτει, λόγω της επίδρασης της μαγνητοαντίστασης της σήραγγας, η ηλεκτρική αντίσταση μειώνεται και αυτό λαμβάνεται ως λογικό "0" και όταν η κατεύθυνση μαγνήτισης στα στρώματα είναι αντίθετη, η αντίσταση αυξάνεται και αυτό ερμηνεύεται ως «1».

Τώρα το μόνο που μένει είναι να εφαρμόσετε τάση στο τρανζίστορ και να καταγράψετε το τρέχον επίπεδο μέσω του κυττάρου, θα σας επιτρέψει να προσδιορίσετε ποια τιμή είναι γραμμένη σε αυτό.

Η τιμή γράφεται στο κελί μνήμης χρησιμοποιώντας το παραγόμενο μαγνητικό πεδίο. Εδώ βρίσκεται ένα από τα μειονεκτήματα της τεχνολογίας MRAM - το μαγνητικό πεδίο απαιτεί αρκετή ενέργεια, κάτι που είναι ανεπιθύμητο, ειδικά όταν τέτοια μικροκυκλώματα χρησιμοποιούνται σε κινητές συσκευές, όπου τίθενται ειδικές απαιτήσεις για την ενεργειακή απόδοση.

Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι το επαγόμενο μαγνητικό πεδίο, όταν μειώνεται το μέγεθος της κυψέλης, αρχίζει να επηρεάζει τα γειτονικά κύτταρα, αυξάνοντας τον κίνδυνο παραμόρφωσης των πληροφοριών σε αυτά.

Πολλές ελλείψεις μπορούν να εξαλειφθούν με την τεχνολογία STT-MRAM - μια τροποποίηση του MRAM που περιγράφεται παραπάνω, στην οποία η πόλωση του μαγνητισμένου στρώματος αλλάζει όχι μέσω του σχηματισμού ενός μαγνητικού πεδίου, αλλά με τη μεταφορά της γωνιακής ορμής του ηλεκτρονίου (σπιν). με δεδομένη κατεύθυνση πόλωσης. Η ροπή αυτών των ηλεκτρονίων που εισέρχονται στο μεταβλητό σιδηρομαγνητικό στρώμα μεταδίδεται στη μαγνήτιση και το προσανατολίζει σε δοθείσα κατεύθυνση. Εξ ου και το όνομα αυτής της επιλογής τεχνολογίας - STT-MRAM (spin-torque-transfer MRAM).

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον τώρα είναι μια παραλλαγή της τεχνολογίας που ονομάζεται κάθετη STT-MRAM. Η ουσία είναι ότι στα πρώτα δείγματα μνήμης, η ροπή σπιν των ηλεκτρονίων ήταν σε ένα επίπεδο παράλληλο με τη διάταξη των στιβάδων. Στη νέα έκδοση, αυτή η στιγμή κατευθύνεται κάθετα στη διάταξη των στρωμάτων. Αυτό κατέστησε δυνατή την άμεση απόκτηση πολλών πλεονεκτημάτων: μείωση των ρευμάτων που απαιτούνται για τη μεταγωγή, μείωση του μεγέθους των κυψελών, μείωση του τρανζίστορ, αύξηση της πυκνότητας των στοιχείων στο τσιπ και βελτίωση της κατανάλωσης ενέργειας.

Το STT-MRAM έχει άλλα πλεονεκτήματα:

• Συνδυασμός χαρακτηριστικών παρόμοιων με DRAM και SRAM, με μη μεταβλητότητα.
• Ουσιαστικά απεριόριστη κυτταρική ζωή.
• Υψηλή ταχύτητα λειτουργίας με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.

Παραγωγή STT-MRAM

Δυστυχώς, η κατασκευή STT-MRAM δεν είναι τόσο εύκολη όσο θα θέλαμε. Απαιτείται νέος εξοπλισμός και νέα υλικά. Όλα αυτά περιπλέκονται από το γεγονός ότι η διαδικασία κατασκευής στρώσεων διαφέρει από αυτή που χρησιμοποιείται στην κατασκευή συμβατικών τύπων μνήμης.

Η διαδικασία απελευθέρωσης τσιπ STT-MRAM χωρίζεται σε δύο φάσεις. Πρώτον, χρησιμοποιώντας κανονικές γκοφρέτες πυριτίου, κατασκευάζονται τα κάτω στρώματα των κυψελών, σχηματίζονται τρανζίστορ, γραμμές επιλογής λέξεων κ.λπ. Αυτό το τμήμα της παραγωγής ονομάζεται FEOL (μπροστινό μέρος της γραμμής).

Για να ολοκληρωθεί ο σχηματισμός τσιπ, η μερικώς επεξεργασμένη γκοφρέτα μετακινείται σε μια δεύτερη φάση που ονομάζεται BEOL (backend-of-the-line). Εδώ, στρώσεις που περιέχουν μέταλλα εναποτίθενται, στοιχεία συνδέονται με χάλκινους αγωγούς, σχηματίζονται γραμμές δειγματοληψίας bit και ολοκληρώνεται η κατασκευή.

Έτσι, η παραδοσιακή DRAM κατασκευάζεται εξ ολοκλήρου σε FEOL και η διαδικασία κατασκευής περιλαμβάνει ορισμένες λειτουργίες που εκτελούνται σε υψηλές θερμοκρασίες. Και εδώ είναι που προκύπτει το πρόβλημα. Τα μαγνητικά στρώματα (μεμβράνες) του STT-MRAM είναι πολύ λεπτά και πρέπει να εναποτεθούν σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες. Επιπλέον, η κατασκευή απαιτεί πολύ υψηλή ακρίβεια.

Η διαδικασία κατασκευής των τσιπ μνήμης STT-MRAM απαιτεί τη χρήση τριών μασκών για τρία στάδια κατασκευής. Το πρώτο στάδιο είναι το απλούστερο - σχηματίζεται ένα λεπτό ηλεκτρόδιο πυθμένα, δηλαδή γραμμές επιλογής λέξεων, ένα τρανζίστορ ελέγχου.

Το δεύτερο στάδιο είναι πολύ πιο δύσκολο. Είναι απαραίτητο να σχηματιστεί μια κυψέλη μνήμης MTJ, η οποία είναι μια στοίβα από λεπτά στρώματα, από τα οποία μπορεί να υπάρχουν 20-30 τεμάχια. Επιπλέον, πρέπει να τοποθετούνται ακριβώς το ένα πάνω στο άλλο με την υψηλότερη ακρίβεια. Αυτό περιπλέκεται από το γεγονός ότι αυτά τα στρώματα μπορεί να έχουν πάχος πολλών angstroms. Χρειάζονται για να παρέχουν το απαιτούμενο επίπεδο μαγνήτισης. Και μια άλλη δυσκολία αυτού του σταδίου είναι η αποτροπή εισόδου αέρα κατά την εφαρμογή των στρώσεων. Δηλαδή, η όλη διαδικασία απαιτείται να πραγματοποιηθεί στον ίδιο εξοπλισμό.

Το τελευταίο, τρίτο στάδιο είναι ο σχηματισμός του άνω ηλεκτροδίου, οι γραμμές επιλογής bit και η δημιουργία συνδέσεων μεταξύ των κυψελών.

Το ίδιο το STT-MRAM αποτελείται από κύτταρα MTJ. Κάθε κύτταρο περιέχει ένα λεπτό στρώμα διηλεκτρικής σήραγγας, περίπου 10 angstrom, κατασκευασμένο από οξείδιο του μαγνησίου (MgO) που περιβάλλεται από δύο σιδηρομαγνητικά στρώματα με βάση τη σύνθεση κοβάλτιο-σίδηρος-βόριο (CoFeB). Το πάχος αυτών των στρωμάτων κυμαίνεται από 10 έως 30 angstroms. Το ρεύμα ρέει μέσα από αυτά τα στρώματα, συμπεριλαμβανομένου του στρώματος της σήραγγας.

Ένα ενδιαφέρον χαρακτηριστικό της τεχνολογίας μνήμης MRAM είναι η δυνατότητα παραγωγής τσιπ με δυνατότητες κοντά στη μνήμη flash ή αντίστοιχες σε SRAM, δηλαδή η δυνατότητα να διαφοροποιούνται τα χαρακτηριστικά. Όλα εξαρτώνται από το πώς σχηματίζονται τα στρώματα.

Η επόμενη λειτουργία, η οποία εκτελείται αφού ολοκληρωθεί ο σχηματισμός όλων των στρωμάτων του κελιού μνήμης, είναι η χάραξη. Το STT-MRAM δεν κατασκευάζεται με χρήση συμβατικής χάραξης αντιδραστικών ιόντων (RIE), καθώς αυτή η λειτουργία μπορεί να βλάψει τα στρώματα. Αντίθετα, χρησιμοποιείται χάραξη δέσμης ιόντων (IBE), δηλαδή βομβαρδισμός του υλικού με μια δέσμη φορτισμένων ιόντων. Αυτή η τεχνολογία χάραξης εξακολουθεί να βελτιώνεται καθώς επί του παρόντος έχει περιορισμούς στο μέγεθος των περιοχών που μπορούν να αφαιρεθούν.

Εφαρμογή STT-MRAM

Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι χρήσης αυτού του τύπου μνήμης. Πρώτον, είναι μια αντικατάσταση της ενσωματωμένης μνήμης flash, η οποία χρησιμοποιείται σε πολλές συσκευές. Δεύτερον, αντικατάσταση της ενσωματωμένης SRAM. Η δεύτερη επιλογή είναι πιο περίπλοκη. Γενικά, έχει ήδη υπάρξει μια ορισμένη διαίρεση στους τομείς εφαρμογής της μνήμης. Έτσι, το STT-MRAM και το ReRAM είναι καλές επιλογές για ενσωματωμένες λύσεις και η μνήμη που δημιουργείται με χρήση τεχνολογίας αλλαγής φάσης στοχεύει στη χρήση σε αυτόνομες συσκευές– δίσκους, κ.λπ.

Τα σχέδια αντικατάστασης του DRAM με STT-MRAM παραμένουν σχέδια προς το παρόν, καθώς αυτές οι εξελίξεις δεν έχουν ακόμη εγκαταλείψει το στάδιο της έρευνας και ανάπτυξης.

Υπάρχουν άλλα εμπόδια στη μετάβαση στη μνήμη STT-MRAM. Συγκεκριμένα, αυτή η τεχνολογία δεν έχει ακόμη αποδείξει αξιοπιστία και συμμόρφωση με τις απαιτήσεις για ασφαλής αποθήκευσηδεδομένα σε υψηλές θερμοκρασίες, για παράδειγμα για εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία.

Έτσι, η Everspin σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει τη μνήμη της ως αντικατάσταση των τσιπ DRAM, τα οποία χρησιμοποιούνται για την προσωρινή αποθήκευση λειτουργιών εγγραφής σε μονάδες SSD και συστήματα RAID. Η ιδιαιτερότητα της DRAM είναι ότι εάν εξαφανιστεί η τάση τροφοδοσίας, θα χαθούν όλα τα δεδομένα που υπήρχαν σε αυτήν και που δεν έχουν ακόμη γραφτεί στα μέσα. Για να αποφευχθεί αυτό, είναι εγκατεστημένοι πυκνωτές στο SSD που μπορούν να παρέχουν ισχύ στη μονάδα δίσκου για να έχετε χρόνο να γράψετε όλα τα δεδομένα στο buffer. Δυστυχώς, αυτοί οι πυκνωτές αυξάνουν το κόστος των μονάδων δίσκου. Οι συστοιχίες RAID χρησιμοποιούν εφεδρικές μπαταρίες.

Αυτό το πρόβλημα επιλύεται χρησιμοποιώντας τη μνήμη STT-MRAM. Δεδομένου ότι είναι μη πτητικό, τα δεδομένα δεν χάνονται, πράγμα που σημαίνει ότι μπορείτε να αρνηθείτε να χρησιμοποιήσετε εφεδρικές μπαταρίες ή πυκνωτές.

Ένας άλλος τομέας εφαρμογής είναι η ενσωματωμένη μνήμη, για παράδειγμα σε μικροελεγκτές. Συνήθως, ένα τσιπ περιέχει πολλά στοιχεία - επεξεργαστή, SRAM, ενσωματωμένη μνήμη, ελεγκτές για περιφερειακές συσκευές κ.λπ. Επιπλέον, η μνήμη flash λειτουργεί ως ενσωματωμένη μνήμη, η οποία είναι η αποθήκευση του μικροκώδικα του ελεγκτή κ.λπ.

Η παραγωγή τέτοιων μικροελεγκτών κινείται σε πιο λεπτές τεχνικές διαδικασίες, για παράδειγμα, από 40 nm σε 28 nm. Αντίστοιχα, η τεχνική διαδικασία και η χρησιμοποιούμενη μνήμη flash γίνονται πιο εκλεπτυσμένες. Το πρόβλημα είναι ότι με πιο λεπτές τεχνικές διαδικασίες, η ανθεκτικότητα αυτής της μνήμης επιδεινώνεται και οι ταχύτητες εγγραφής/ανάγνωσης πέφτουν. Ταυτόχρονα, το κόστος μιας τέτοιας μνήμης flash αυξάνεται, καθώς η τεχνολογία κατασκευής γίνεται πιο περίπλοκη, γεγονός που απαιτεί τη χρήση πολλών μάσκες. Επιπλέον, υπάρχουν δυσκολίες με την κλιμάκωση.

Όλα αυτά οδηγούν αναπόφευκτα στην αναζήτηση εναλλακτικών λύσεων και δεδομένου ότι η ενσωματωμένη μνήμη χρησιμοποιείται ολοένα και περισσότερο σε μια ποικιλία συσκευών, αυτό το τμήμα της αγοράς δίνεται Ιδιαίτερη προσοχή. Η αντικατάσταση της συμβατικής μνήμης flash δεν είναι τόσο εύκολη υπόθεση. Για να το λύσουμε νέου τύπουΗ μνήμη πρέπει να πληροί διάφορες προϋποθέσεις, όπως αξιοπιστία, απόδοση, πυκνότητα κυψέλης στο τσιπ και, φυσικά, κόστος.

Η υπάρχουσα μνήμη flash θα είναι περιζήτητη για μεγάλο χρονικό διάστημα, γιατί όπου χρησιμοποιείται (σε ​​φορητές συσκευές, ηλεκτρονικά αυτοκινήτων κ.λπ.), κάνει καλά τη δουλειά της, συνδυάζοντας απόδοση, αξιοπιστία και κόστος σε καλό επίπεδο.

Κι όμως, φαίνεται ότι είναι η μνήμη STT-MRAM που είναι σχεδόν έτοιμη να παρουσιαστεί και να αναλάβει τη θέση της παραδοσιακής μνήμης flash. Αυτό είναι ένα από τα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας, καθώς εναλλακτικές λύσεις, όπως η μνήμη ReRAM ή νανοσωλήνων, δεν έχουν ακόμη εγκαταλείψει το στάδιο της έρευνας και του πρωτοτύπου.

Σε ένα από τελευταίες αναφορέςΗ GlobalFoundries ανακοίνωσε ότι έχει αποδείξει τη χρήση της τεχνολογίας STT-MRAM για αποθήκευση δεδομένων. Καταγράφηκε χαμηλός αριθμός σφαλμάτων και αναφέρθηκε η δυνατότητα αποθήκευσης δεδομένων για 10 χρόνια σε θερμοκρασία 125°C.

Η ενσωματωμένη μνήμη STT-MRAM, όταν χρησιμοποιείται σε μικροελεγκτές, μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για την αποθήκευση μικροκώδικα, αλλά και για να αναλάβει ορισμένες από τις λειτουργίες προσωρινής αποθήκευσης που εκτελούνται αυτήν τη στιγμή από τη SRAM. Αυτό θα μειώσει την ποσότητα του στο τσιπ, εξοικονομώντας έτσι χώρο και μειώνοντας το κόστος. Δεν υπάρχει ακόμη συζήτηση για πλήρη αντικατάσταση του SRAM.

Συμπέρασμα. MRAM - τι είναι, το μέλλον;

Πολύ πιθανό. Αυτή η τεχνολογία είναι ο ηγέτης στη λίστα εναλλακτικών τύπων μνήμης που χρησιμοποιούνται σήμερα. Επιπλέον, η χρήση στην αυτοκινητοβιομηχανία, σε συσκευές Internet of Things, σε φορητές συσκευές, ως buffer μνήμη κ.λπ., το θέμα δεν θα περιοριστεί. Υπάρχουν επίσης σχέδια για μετατόπιση της DRAM.

Οι τέσσερις κύριοι κατασκευαστές είναι έτοιμοι να ξεκινήσουν την παραγωγή τσιπ μνήμης χρησιμοποιώντας τεχνολογία STT-MRAM στο εγγύς μέλλον. Το αν η αγορά είναι έτοιμη να τα δεχτεί είναι άλλο θέμα. Ναι, η νέα τεχνολογία έχει πολλά πλεονεκτήματα. Αυτό είναι τόσο ταχύτητα όσο και ανθεκτικότητα, κάτι που δεν ονειρεύεται καν η μνήμη flash που χρησιμοποιείται αυτή τη στιγμή. Υπάρχουν όμως και μειονεκτήματα, ακόμη και σε σύγκριση με το NAND. Η πυκνότητα κυψέλης του STT-MRAM εξακολουθεί να είναι χαμηλότερη από αυτή της μνήμης flash. Και οι τεχνικές διαδικασίες με τις οποίες μπορεί να παραχθεί νέα μνήμη είναι μέχρι στιγμής πιο «παχύτερες» από αυτές που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή του NAND. Το κόστος είναι επίσης υψηλότερο.

Ταυτόχρονα, υπάρχει έλλειψη μνήμης flash στην αγορά και το θέμα του πολυστρωματικού NAND αναπτύσσεται ενεργά. Γενικά, η ταχύτητα μετάβασης σε νέα μνήμηεγείρει ερωτήματα. Και όμως, η πιθανότητα ότι το STT-MRAM θα ​​γίνει ο διάδοχος, πρώτα απ 'όλα, της μνήμης flash είναι πολύ μεγάλη. Θα δούμε τι θα γίνει μετά.

Μαγνητοσυστατική μνήμη MRAM - RAM και ROM υψηλής ταχύτητας σε ένα τσιπ

Mikhail Sokolov, Μηχανικός Εφαρμογών, Freescale Semiconductor
Alexander Grishin, μηχανικός, MPEI (TU)

Η μελέτη των μαγνητοαντιστικών δομών ως μη πτητικά στοιχεία για την αποθήκευση πληροφοριών ξεκίνησε το πρώτο μισό του εικοστού αιώνα. Αλλά μόλις το καλοκαίρι του 2006 παρουσιάστηκε το πρώτο μη πτητικό τσιπ μνήμης στον κόσμο που χρησιμοποιεί τεχνολογία MRAM.

Ορισμένες δημοσιεύσεις αποκαλούν αυτό το γεγονός μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της ανάπτυξης μνήμης τα τελευταία 10 χρόνια. Είναι έτσι, και τι είναι η μαγνητοαντιστική μνήμη Αυτές οι ερωτήσεις απαντώνται σε αυτό το άρθρο; Παρέχεται επίσης Λεπτομερής περιγραφήχαρακτηριστικά του τσιπ MR2A16A - το πρώτο προϊόν στη γραμμή μνήμης MRAM.

Τεχνολογία MRAM - ένας μακρύς δρόμος προς την επιτυχία

Η ιστορία της δημιουργίας της μαγνητορεθετικής μνήμης MRAM (Μαγνητοαντιληπτική Μνήμη Τυχαίας Πρόσβασης) χρονολογείται αρκετές δεκαετίες πίσω. Συγκεκριμένα, έχουν πραγματοποιηθεί επίσης εργασίες στη Ρωσία για τη δημιουργία μαγνητοαντιστατικής μνήμης για χρήση στον στρατιωτικό και στον αεροδιαστημικό τομέα. Ωστόσο, σχεδόν όλες οι προσπάθειες δημιουργίας σειριακή μνήμηΤα MRAM δεν κατέληξαν σε ένα αξιόπιστο προϊόν κατάλληλο για μαζική παραγωγή.

Μεγάλες εταιρείες όπως η IBM, η Cypress, η Toshiba, η Renesas, η Hitachi, η Mitsubishi, η Motorola κ.λπ. εργάζονται για την ανάπτυξη μνήμης για περισσότερα από 10 χρόνια. Η Motorola ξεκίνησε την έρευνα σε μαγνητοαντιστικές δομές το 1995 μαζί με την Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Έργων Αμυντικής Άμυνας των ΗΠΑ (DARPA US). Μετά τον διαχωρισμό ολόκληρου του τομέα εξαρτημάτων ημιαγωγών από τη Motorola το 2004, η πλέον ανεξάρτητη εταιρεία Freescale Semiconductor συνέχισε να εργάζεται για να φέρει το προϊόν σε μαζική παραγωγή. Ως αποτέλεσμα, στις 10 Ιουλίου 2006, ολοκληρώθηκε εμπορικό προϊόν, χρησιμοποιώντας τεχνολογία MRAM, είναι μια αυτόνομη μονάδα MR2A16A με χωρητικότητα μνήμης 4 Mbit.

Η μαγνητοαντιστική μνήμη είναι μια επαναστατική τεχνολογία που έχει όλες τις απαραίτητες ιδιότητες για να γίνει πραγματικά καθολική. Επιπλέον, έχει έναν αριθμό μοναδικά χαρακτηριστικά, ανοίγοντας ευρείες προοπτικές αγοράς.

Πλεονεκτήματα της μαγνητοαντιστατικής μνήμης

Η παγκόσμια αγορά για τσιπ μνήμης, σύμφωνα με ορισμένες εκτιμήσεις, ξεπερνά τα 48 δισεκατομμύρια δολάρια και συνεχίζει να αυξάνεται. Για να εισέλθετε στην αγορά και να μην είστε στατιστικό στοιχείο στους δεύτερους δέκα κατασκευαστές συσκευών μνήμης, είναι απαραίτητο να προσφέρετε ένα νέο, μοναδικό προϊόν που συνδυάζει τα πλεονεκτήματα όλων των κοινών τεχνολογιών: μη πτητική αποθήκευση δεδομένων για σχεδόν απεριόριστο χρόνο χωρίς την ανάγκη για αναγέννηση, ταχύτητα ανάγνωσης/εγγραφής συγκρίσιμη με τη σημερινή ημέρα με τεχνολογία SRAM, απεριόριστο αριθμό κύκλων διαγραφής/εγγραφής δεδομένων, υψηλή επεκτασιμότητα και πυκνότητα κυψέλης για τη δημιουργία τσιπ μνήμης διαφόρων μεγεθών. Το έργο με την πρώτη ματιά είναι αδύνατο, αλλά η τεχνολογία MRAM έχει πλησιάσει περισσότερο στην επίλυσή του. Φυσικά, η ταχύτητα ανάγνωσης/εγγραφής δεν έχει φτάσει ακόμη σε κλάσματα νανοδευτερόλεπτων έως ότου αναπτυχθούν οι τεχνολογικές διαδικασίες για τη δημιουργία τσιπ MRAM με χωρητικότητα εκατοντάδων megabit και σε συμπαγή πακέτα, το κόστος δεν είναι πάντα αυτό που θα θέλαμε. Τώρα όμως μπορούμε να πούμε με εύλογη σιγουριά ότι η τεχνολογία MRAM θα ​​ξεπεράσει αυτές τις ελλείψεις και σε λίγα χρόνια θα αρχίσει σταδιακά να κερδίζει σημαντικό μέρος της αγοράς από τις υπάρχουσες τεχνολογίες μνήμης. Σε τι βασίζονται αυτές οι δηλώσεις; Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα χαρακτηριστικά της μνήμης MRAM που τη διακρίνουν από τις κοινές τεχνολογίες (βλ. Πίνακα 1).

Πίνακας 1. Συγκριτικά χαρακτηριστικά των κύριων τύπων μνήμης

Μη πτητική μνήμη EEPROM (EEPROM) ενεργοποιημένη αυτή τη στιγμήβρίσκεται στο τελικό στάδιο της κύκλος ζωής. Η σημαντικά χαμηλότερη ταχύτητα λειτουργίας, καθώς και ο περιορισμένος αριθμός κύκλων επανεγγραφής σε σύγκριση με το MRAM, δεν επιτρέπουν τη χρήση αυτής της μνήμης ως RAM. Είναι κατάλληλο μόνο για την αποθήκευση κώδικα προγράμματος ή δεδομένων που δεν απαιτούν συχνές αλλαγές ή πρόσβαση.

Το κύριο μειονέκτημα της μνήμης Flash είναι ο μικρός αριθμός κύκλων επανεγγραφής. Ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας, η μνήμη flash μπορεί να αντικατασταθεί περίπου 10 χιλιάδες - 1 εκατομμύριο φορές πριν σταματήσει να λειτουργεί το κελί bit. Σε αντίθεση με τη μνήμη flash, ο αριθμός των κύκλων επανεγγραφής της μνήμης MRAM είναι άπειρος λόγω μιας θεμελιωδώς διαφορετικής τεχνολογίας κυψελών bit. Εδώ ο προγραμματισμός γίνεται αλλάζοντας την πολικότητα των μαγνητικών στρωμάτων και αυτή τη λειτουργίαδεν καταστρέφει το υλικό από το οποίο κατασκευάζονται τα κύτταρα μνήμης.

Άλλα μειονεκτήματα της μνήμης flash περιλαμβάνουν χαμηλή ταχύτηταεγγραφή, καθώς και η φύση μπλοκ προς μπλοκ της διαγραφής/εγγραφής κελιών μνήμης. Στο MRAM, μπορείτε να εκτελέσετε οποιαδήποτε λειτουργία σε μεμονωμένα κελιά ανεξάρτητα. Επιπλέον, η μαγνητοαντιστατική μνήμη δεν χρειάζεται να διαγραφεί λίγο πριν μπορέσει να ξαναγραφτεί.

Η δυναμική μνήμη DRAM απαιτεί συχνή αναγέννηση κυψελών για την αποθήκευση δεδομένων, γεγονός που οδηγεί σε αυξημένη κατανάλωση ενέργειας και δεν επιτρέπει τη χρήση της ως μη πτητική μνήμη.

Η στατική μνήμη SRAM δεν είναι μη πτητική. Επιπλέον, λόγω της χαμηλής πυκνότητας κυψέλης, η τεχνολογία SRAM δεν επιτρέπει τη δημιουργία μνήμης σημαντικού όγκου (δεκάδες – εκατοντάδες megabit) σε μικρή μορφή.

Η SRAM με υποστήριξη μπαταρίας μπορεί να ονομαστεί γενική μνήμη, αλλά με σημαντικούς περιορισμούς. Οι ενσωματωμένες μπαταρίες έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής, περιορισμένη χωρητικότητα λόγω του μικρού μεγέθους της μπαταρίας και η παρουσία της στη συσκευή δημιουργεί πρόσθετα προβλήματακατά την αποθήκευση, εγκατάσταση και λειτουργία της μνήμης. Δεν πρέπει να ξεχνάμε την ισχυρή εξάρτηση από τη θερμοκρασία των χαρακτηριστικών της μπαταρίας και τις πρόσθετες δυσκολίες κατά την απόρριψη συσκευών.

Η ταχύτητα εγγραφής/διαγραφής μνήμης MRAM είναι μεγαλύτερη από την SRAM με υποστήριξη μπαταρίας. Η απουσία μπαταρίας σημαίνει μεγαλύτερη αξιοπιστία και ανθεκτικότητα της μνήμης MRAM και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας της είναι ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία σε όλο το εύρος που ορίζει ο κατασκευαστής.

Μέχρι πρόσφατα, η μη πτητική σιδηροηλεκτρική μνήμη FRAM πληρούσε πλήρως τον ορισμό της «καθολικής μνήμης» όλων των εμπορικά διαθέσιμων μικροκυκλωμάτων στην αγορά. Ωστόσο, έχει και μια σειρά από μειονεκτήματα, το πιο σοβαρό από τα οποία είναι το μεγάλο μέγεθος των κυττάρων του. Χάρη στις προσπάθειες των προγραμματιστών, πλησιάζει σταδιακά το φυσικό όριο, πέρα ​​από το οποίο η περαιτέρω μείωση του μεγέθους συνδέεται με σοβαρά τεχνικά και τεχνολογικά προβλήματα. Ωστόσο, τα κελιά παραμένουν αρκετά μεγάλα, γεγονός που δεν επιτρέπει τη δημιουργία μεγάλων τσιπ μνήμης με μικρές διαστάσεις. Σήμερα, η χωρητικότητα μνήμης των τσιπ FRAM κυμαίνεται από kilobits έως megabit. Οι κατασκευαστές προσπαθούν να δημιουργήσουν μνήμη με χωρητικότητα δεκάδων megabit, αλλά η μαζική παραγωγή μικροκυκλωμάτων χωρητικότητας 16, 32 ή 64 Mbit, εάν είναι δυνατόν, δεν θα είναι νωρίτερα από 3-5 χρόνια.

Η τεχνολογία MRAM δεν επιβάλλει περιορισμούς στη χωρητικότητα της μνήμης. Σε σύγκριση με το FRAM, η ταχύτητα ανάγνωσης/εγγραφής των κυψελών μνήμης MRAM είναι σημαντικά υψηλότερη.

Οι μονάδες μνήμης FRAM απαιτούν την επανεγγραφή των δεδομένων σε κελιά μετά την ανάγνωση. Αυτό το αποτέλεσμα οφείλεται στην υποβάθμιση των κελιών bit μνήμης FRAM κατά τη διάρκεια μιας λειτουργίας ανάγνωσης. Κατά συνέπεια, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια δεδομένων εάν η τροφοδοσία απενεργοποιηθεί κατά λάθος κατά τη διάρκεια μιας λειτουργίας ανάγνωσης, κάτι που αποτελεί πολύ σημαντικό μειονέκτημα για τη μη πτητική μνήμη.

Δομή και λειτουργία κυψελών bit MRAM

Το πρώτο εμπορικό προϊόν που χρησιμοποιεί τεχνολογία MRAM, το τσιπ MR2A16A αποτελείται από μια σειρά κυψελών μνήμης, το καθένα από τα οποία περιέχει ένα τρανζίστορ και μια διασταύρωση μαγνητικής σήραγγας (1T1MTJ). Η διασταύρωση μαγνητικής σήραγγας (MTJ) είναι η βάση της κυψέλης bit MRAM. Αποτελείται από ένα πολύ λεπτό διηλεκτρικό στρώμα οξειδίου του αλουμινίου (AlOx) που βρίσκεται ανάμεσα σε δύο μαγνητικά στρώματα. Κάθε ένα από τα μαγνητικά στρώματα έχει το δικό του διάνυσμα μαγνητικού πεδίου. Το ανώτερο μαγνητικό στρώμα ονομάζεται ελεύθερο στρώμα και μπορεί να αλλάξει το διάνυσμα του πεδίου του. Το μαγνητικό στρώμα της βάσης ονομάζεται σταθερό στρώμα το διάνυσμα του μαγνητικού του πεδίου είναι μπλοκαρισμένο και δεν αλλάζει.

Η κατεύθυνση του διανύσματος μαγνητικού πεδίου του ελεύθερου στρώματος καθορίζει την κατάσταση του bit ως λογικό μηδέν ή ένα. Εάν τα διανύσματα μαγνήτισης του ελεύθερου στρώματος και του σταθερού στρώματος είναι προσανατολισμένα προς την ίδια κατεύθυνση, η αντίσταση της δομής MTJ είναι χαμηλή (βλ. Εικόνα 1). Εάν τα διανύσματα μαγνήτισης του ελεύθερου και του σταθερού στρώματος περιστρέφονται κατά 180° μεταξύ τους (απέναντι), η αντίσταση της δομής MTJ είναι υψηλή. Η τιμή της αντίστασης σύνδεσης MTJ καθορίζει εάν τα περιεχόμενα της κυψέλης θα διαβάζονται ως "0" ή "1" όταν το ρεύμα ανάγνωσης διέρχεται από το κελί.

Ρύζι. 1. Μαγνητικά στρώματα κελιού bit μνήμης 1T1MTJ MRAM για τιμές "0" και "1"

Κατά τη λειτουργία ρύθμισης bit, το μαγνητικό διάνυσμα του ελεύθερου στρώματος παίρνει μία από τις δύο πιθανές καταστάσεις. Η κατεύθυνση του διανύσματος πεδίου ρυθμίζεται χρησιμοποιώντας εσωτερικούς χάλκινους αγωγούς που βρίσκονται σε κάθετες κατευθύνσεις μεταξύ τους στο πάνω και στο κάτω μέρος της δομής MTJ. Οι παλμοί ρεύματος που ρέουν μέσα από κάθετα τοποθετημένους χάλκινους αγωγούς δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο που αλλάζει τη μαγνήτιση του ελεύθερου στρώματος της κυψέλης bit που βρίσκεται στην περιοχή όπου τέμνονται οι αγωγοί (βλ. Εικ. 2).

Ρύζι. 2. Κυψέλη bit 1T1MTJ: απλοποιημένη δομή, λειτουργίες ανάγνωσης και εγγραφής

Αυτή η δομή τριών επιπέδων βελτιώνει την ταχύτητα και τη σταθερότητα των λειτουργιών διαγραφής/εγγραφής, αλλά απαιτεί υψηλότερο ρεύμα για την εκτέλεση αυτών των λειτουργιών από τα παραδοσιακά κελιά μνήμης. Ωστόσο, στην πράξη, η μέση κατανάλωση παραμένει η ίδια, αφού κατά τη σύνταξη ενός byte δεδομένων, δεν χρειάζεται να αλλάξουν όλα τα bit, εκτός και αν αλλάξουμε την τιμή του byte από "FF" σε "00" και ξανά. Επιπλέον, η διαδικασία διαγραφής/εγγραφής διαρκεί εξαιρετικά σύντομο χρόνο περίπου 25 ns. Ως αποτέλεσμα, όσον αφορά την κατανάλωση, ένα τσιπ μνήμης MRAM ξεπερνά τους άλλους τύπους ROM, οι οποίοι είναι επίσης σημαντικά πιο αργοί.

Τσιπ μνήμης MR2A16A

Το MR2A16A είναι το πρώτο προϊόν της Freescale στη σειρά τσιπ μνήμης MRAM. Η μονάδα μνήμης MR2A16A κατασκευάζεται με τεχνολογία 0,18 micron και είναι ήδη η δεύτερη γενιά συσκευών που βασίζονται σε αυτήν την τεχνολογία. Η χωρητικότητα του τσιπ είναι 4 Mbit με οργάνωση 256K x 16 bit. Ο έλεγχος πραγματοποιείται μέσω τυπικών εισόδων: ενεργοποίηση chip, ενεργοποίηση εγγραφής, ενεργοποίηση εξόδου και επιλογή άνω/κάτω byte, παρέχοντας ευελιξία του συστήματος και αποτροπή καταστάσεις σύγκρουσηςκατά την πρόσβαση στο λεωφορείο (βλ. Πίνακα 2). Ανάλογα με την κατάσταση των εισόδων ελέγχου, τα δεδομένα μπορούν να εγγραφούν/διαβαστούν σε μορφή 8-bit και 16-bit. Η συσκευή υποστηρίζει επίσης εντελώς στατικές λειτουργίες. Η εσωτερική δομή του τσιπ μνήμης φαίνεται στο σχήμα 3.

Ρύζι. 3. Μπλοκ διάγραμμα του τσιπ MR2A16A

Πίνακας 2. Λειτουργίες ακίδας MR2A16A

Οι χρόνοι του κύκλου ανάγνωσης/εγγραφής/διαγραφής είναι σύντομοι, συμμετρικοί σε διάρκεια και ανέρχονται σε 35 ns. Το εύρος τάσης λειτουργίας του μικροκυκλώματος είναι 3-3,6 V, το ενσωματωμένο κύκλωμα παρακολούθησης ισχύος εμποδίζει την εγγραφή των κυψελών μνήμης όταν το επίπεδο τάσης τροφοδοσίας μειώνεται περισσότερο από 0,5 V σε σχέση με την τάση λειτουργίας. Το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας των μικροκυκλωμάτων MRAM του μοντέλου 2006 είναι 0-70°C. Το δεύτερο τρίμηνο του 2007, η Freescale θα ξεκινήσει τη μαζική παραγωγή μικροκυκλωμάτων MR2A16A με εύρος λειτουργίας 40-105°C. Το τρίτο τρίμηνο του 2007, η εταιρεία σχεδιάζει να ανακοινώσει νέα προϊόντα βασισμένα στην τεχνολογία MRAM. Αναμένεται ότι η επόμενη στη σειρά των τσιπ θα είναι μονάδες μνήμης χωρητικότητας 1 Mbit και 16 Mbit.

Τα τσιπ MR2A16A διατίθενται σε συσκευασία 44-TSOP (type-II) σύμφωνα με τις προδιαγραφές RoHS. Προστατευτική θωράκιση από εξωτερικές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές είναι ενσωματωμένη στο περίβλημα του μικροκυκλώματος. Η διαμόρφωση των ακροδεκτών του MR2A16A είναι πλήρως συμβατή με τα τσιπ μνήμης SRAM, η αρχή της εργασίας με τη μνήμη MRAM είναι επίσης παρόμοια με αυτή της SRAM. Επομένως, τα τσιπ μνήμης MR2A16A μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υπάρχουσες συσκευές και συστήματα που χρησιμοποιούν μνήμη SRAM χωρίς αλλαγές στο κύκλωμα.

Τα δεδομένα αποθηκεύονται σε κυψέλες λόγω μαγνήτισης και όχι λόγω φόρτισης, γεγονός που επιτρέπει την αποθήκευση πληροφοριών χωρίς αναγέννηση και χωρίς τάση τροφοδοσίας για 10 χρόνια ή περισσότερο. Η εναλλαγή της κατάστασης των δυαδικών ψηφίων πραγματοποιείται χωρίς να κινούνται άτομα και ηλεκτρόνια μέσα στα υλικά, επομένως δεν υπάρχει κανένα αποτέλεσμα σταδιακή υποβάθμισηεσωτερική δομή της κυψέλης bit και διασφαλίζει τη σταθερότητα των χαρακτηριστικών της μνήμης καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του τσιπ. Χάρη σε αυτό, ο αριθμός των κύκλων επανεγγραφής μνήμης MRAM είναι σχεδόν άπειρος (πάνω από 10 16) και η δομή των κυψελών μνήμης και τα χαρακτηριστικά απόδοσης δεν υποβαθμίζονται κατά τη λειτουργία σε όλο το εύρος των θερμοκρασιών και των τάσεων λειτουργίας. Πειράματα έδειξαν ότι τα κύτταρα μνήμης MR2A16A μπορούν να αντέξουν περισσότερα από 58 τρισ. εγγραφή και διαγραφή κύκλων, λειτουργώντας κάτω από τις χειρότερες συνθήκες λειτουργίας.

Μέχρι σήμερα, δεν έχουν αναφερθεί αποτυχίες στη λειτουργία των κυψελών μνήμης και το πείραμα για τον έλεγχο του αριθμού των κύκλων εγγραφής/διαγραφής κελιών μνήμης MRAM συνεχίζεται. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, τα τσιπ MR2A16A λειτουργούσαν σε συχνότητα 4 MHz σε θερμοκρασία περιβάλλον 90°C και σε συχνότητα 28,5 MHz σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 70°C.

Εφαρμογές μη πτητικής μνήμης MRAM

Σήμερα, οι κύριοι παράγοντες που εμποδίζουν την ευρεία χρήση της μνήμης MRAM είναι το κόστος των μικροκυκλωμάτων, η σπανιότητα μιας σειράς προϊόντων με διαφορετικές χωρητικότητες μνήμης και η καινοτομία της τεχνολογίας. Μέχρι στιγμής, μόνο ένα τσιπ 4 Mbit είναι διαθέσιμο στους προγραμματιστές. Καθώς η τεχνολογία παραγωγής γίνεται φθηνότερη και εμφανίζονται νέα προϊόντα MRAM από διάφορους κατασκευαστές, το κόστος των στοιχείων μνήμης θα μειωθεί γρήγορα. Ωστόσο, μπορούμε ήδη να μιλήσουμε για πολλούς τομείς βιομηχανία ηλεκτρονικών, στην οποία η χρήση μαγνητοαντιστατικής μνήμης θα δικαιολογείται οικονομικά.

Η μεγαλύτερη ανάγκη για μνήμη MRAM είναι σε εμπορικά συστήματα όπου απαιτείται αποθήκευση δεδομένων σε διάφορες καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, όπως διακοπή ρεύματος. Αυτή η μνήμη είναι επίσης ιδανική λύσηγια διάφορες συσκευές εγγραφής και «μαύρο κουτί». Τα δεδομένα μπορούν να αποθηκευτούν σε ταχύτητες συγκρίσιμες με τη μνήμη SRAM χωρίς να χαθούν λόγω διακοπής ρεύματος.

Μια άλλη βασική αγορά για τη μνήμη MRAM είναι οι εφαρμογές που χρησιμοποιούν μνήμη SRAM με υποστήριξη μπαταρίας. εφεδρική ισχύςή NVSRAM (βλ. Εικ. 4). Όσον αφορά την οικονομική απόδοση, τις τεχνικές και τις καταναλωτικές παραμέτρους, η αντικατάσταση της μνήμης με MRAM σε τέτοιες εφαρμογές δικαιολογείται σε περισσότερο από το 80% των περιπτώσεων.

Ρύζι. 4. MRAM ως εναλλακτική λύση στη SRAM με υποστήριξη μπαταρίας

Η αγορά ηλεκτρονικών συσκευών αυτοκινήτου θα είναι από τους πρώτους και κύριους καταναλωτές μαγνητοαντιστατικής μνήμης. Απομένει να περιμένουμε την εμφάνιση τσιπ MRAM με εύρος θερμοκρασιών αυτοκινήτου ή βιομηχανικής χρήσης, ειδικά επειδή υπήρχε εδώ και πολύ καιρό ανάγκη για πιο αξιόπιστη, ανθεκτική, γρήγορη και αποτελεσματική μνήμη από την κοινή μνήμη EEPROM και flash. Σε ορισμένα ηλεκτρονικά συστήματα αυτοκινήτων, η διαδικασία εγγραφής ήδη δεν συμβαδίζει με τη ροή των δεδομένων πηγής, σε άλλα, τα δεδομένα πρέπει να αποθηκεύονται αρκετά συχνά - όλα αυτά αναγκάζουν τους προγραμματιστές συστημάτων να καταφύγουν σε διάφορα κόλπα.

Χρησιμοποιώντας το MRAM, τα καταγραφικά τροχαίων ατυχημάτων θα μπορούν επίσης να συλλέγουν και να αποθηκεύουν σημαντικές ποσότητες δεδομένων αμέσως πριν και κατά τη διάρκεια ενός ατυχήματος, κάτι που θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά χρήσιμο για τις ασφαλιστικές εταιρείες, για παράδειγμα.

Άλλοι τομείς εφαρμογής της μνήμης MRAM περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:

• προσωπικοί υπολογιστές, εξοπλισμός γραφείου (κινητοί και επιτραπέζιοι υπολογιστές, εκτυπωτές, φαξ, σαρωτές, κ.λπ.)
• φορητές συσκευές, φορητές συσκευές ( Κινητά τηλέφωνα, MP3 players, φωτογραφικές και βιντεοκάμερες, PDA κ.λπ.)
• αντικατάσταση μνήμης RAM που υποστηρίζεται από μπαταρία.
• αποθήκευση αρχικών ρυθμίσεων και προγραμμάτων bootloader σε μια ποικιλία συσκευών.
• μη πτητικά buffer αποθήκευσης επιχειρησιακές πληροφορίεςσε διακομιστές και συστοιχίες RAID.
• μετρητές και μετρητές ροής (ηλεκτρισμός, θερμότητα, νερό κ.λπ.).
• αεροπορική τεχνολογία, στρατιωτικές εφαρμογές.
• συστήματα ασφαλείας και πυρκαγιάς (αρχεία καταγραφής συμβάντων, κ.λπ.)
• αποθήκευση δεδομένων σε διάφορους ιατρικούς εξοπλισμούς·
• επέκταση της μνήμης RAM σε εφαρμογές επικοινωνίας και εφαρμογές που απαιτούν συχνή πρόσβαση σε επεξεργασμένα δεδομένα.

Προοπτικές ανάπτυξης

Η Freescale σχεδιάζει να αναπτύξει προϊόντα MRAM προς δύο κατευθύνσεις: απελευθέρωση μεμονωμένων τσιπ μνήμης και ενσωμάτωση στους δικούς της μικροελεγκτές και μικροεπεξεργαστές 8, 16 και 32 bit.

Καθώς η τεχνολογία μαγνητοαντιστατικής μνήμης βελτιώνεται, η αρχιτεκτονική των ενσωματωμένων συστημάτων θα υποστεί ριζική αλλαγή. Το MRAM έχει αυτήν τη στιγμή τις καλύτερες δυνατότητες αντικατάστασης συνδυασμών διάφοροι τύποιμνήμη, για παράδειγμα SRAM + flash + ROM, που χρησιμοποιείται πλέον στους περισσότερους μικροελεγκτές και συστήματα σε τσιπ, καθώς έχει τα πλεονεκτήματα όλων των παραπάνω τύπων. Έτσι, θα καταστεί δυνατή μια αρχιτεκτονική μικροελεγκτή με μια ενιαία καθολική μνήμη (αρχιτεκτονική απλής μνήμης).

Σε 3-5 χρόνια, μπορεί να εμφανιστούν προσωπικοί υπολογιστές με μαγνητοαντιστατική μνήμη. Στο αρχικό στάδιο θα ξεκινήσει η παραγωγή Η/Υ στους οποίους η μνήμη flash για την αποθήκευση του βασικού συστήματος εισόδου/εξόδου (το λεγόμενο BIOS) θα αντικατασταθεί από μνήμη MRAM. Στο μέλλον, καθώς αυξάνεται ο όγκος και η ταχύτητα του MRAM, θα ξεκινήσει η σταδιακή αντικατάσταση της μνήμης RAM και της προσωρινής μνήμης σε υπολογιστές.

Φορητοί υπολογιστές εμφανίζονται ήδη σε ποιες συσκευές αποθήκευσης σκληροι ΔΙΣΚΟΙαντικαταστάθηκε από μνήμη flash. Εάν κατά τη διαδικασία ανάπτυξης της τεχνολογίας MRAM δεν υπάρχουν περιορισμοί στη δημιουργία μνήμης με χωρητικότητα δεκάδων και εκατοντάδων gigabit σε συμπαγή μορφή, θα πρέπει να αναμένουμε την εμφάνιση δίσκων υψηλής ταχύτητας για την αποθήκευση εφαρμογών εφαρμογών. λογισμικόκαι δεδομένα. Αυτό θα καταστήσει δυνατή τη δημιουργία προσωπικών υπολογιστών και άλλων συστημάτων και συσκευών που θα εκκινούν σχεδόν αμέσως σε σύγκριση, για παράδειγμα, με τους τρέχοντες υπολογιστές, στους οποίους η διαδικασία εκκίνησης διαρκεί από δεκάδες δευτερόλεπτα έως αρκετά λεπτά. Επιπλέον, θα είναι δυνατή η επανέναρξη της εκτέλεσης των προγραμμάτων μετά την ενεργοποίηση της συσκευής από τη στιγμή που διακόπηκε όταν απενεργοποιήθηκε η τάση τροφοδοσίας.

Ως αποτέλεσμα, σε λίγα χρόνια, η τεχνολογία MRAM θα ​​αρχίσει σταδιακά όχι μόνο να αναπτύσσει νέους τομείς εφαρμογής της ηλεκτρονικής μνήμης, αλλά θα μπορεί επίσης να καταλάβει σημαντικό μέρος της υπάρχουσας αγοράς μνήμης ημιαγωγών, αντικαθιστώντας τη μη πτητική EEPROM , flash, FRAM και επίσης οι πιο δημοφιλείς τύποι μνήμης υψηλής ταχύτητας που είναι συνηθισμένοι σήμερα, όπως η στατική SRAM, η δυναμική DRAM και άλλα.

Σχέδιο:

Εισαγωγή

• 1 Περιγραφή
• 2 Σύγκριση με άλλους τύπους μνήμης
  • 2.1 Πυκνότητα τοποθέτησης στοιχείων σε μικροκύκλωμα
  • 2.2 Κατανάλωση ενέργειας
  • 2.3 Απόδοση
  • 2.4 Γενική σύγκριση
• 3 Ιστορία
  • 3.1 Τρέχουσα κατάσταση
• 4 Εφαρμογή

Εισαγωγή

Μαγνητοαντιστατική RAM(MRAM - Αγγλικά) μαγνητοαντιστατική μνήμη τυχαίας πρόσβασης ) είναι μια συσκευή μνήμης τυχαίας πρόσβασης που αποθηκεύει πληροφορίες χρησιμοποιώντας μαγνητικές ροπές αντί ηλεκτρικά φορτία.

Το πιο σημαντικό πλεονέκτημα αυτού του τύπου μνήμης είναι η μη μεταβλητότητα, δηλαδή η δυνατότητα αποθήκευσης εγγεγραμμένων πληροφοριών απουσία εξωτερικής ισχύος.

Η τεχνολογία μαγνητικής αντίστασης μνήμης έχει αναπτυχθεί από τη δεκαετία του 1990. Σε σύγκριση με τον αυξανόμενο όγκο παραγωγής άλλων τύπων μνήμη υπολογιστή, ειδικά μνήμη flash και DRAM, δεν έχει ακόμη εκπροσωπηθεί ευρέως στην αγορά. Ωστόσο, οι υποστηρικτές του πιστεύουν ότι λόγω μιας σειράς πλεονεκτημάτων, θα αντικαταστήσει τελικά όλους τους τύπους μνήμης υπολογιστή και θα γίνει μια πραγματικά «καθολική» μνήμη υπολογιστή.

Απλοποιημένη δομή μιας κυψέλης μνήμης MRAM

1. Περιγραφή

Σε αντίθεση με άλλους τύπους συσκευών αποθήκευσης, οι πληροφορίες στη μαγνητοαντιστατική μνήμη αποθηκεύονται όχι με τη μορφή ηλεκτρικών φορτίων ή ρευμάτων, αλλά σε στοιχεία μαγνητικής μνήμης. Τα μαγνητικά στοιχεία σχηματίζονται από δύο σιδηρομαγνητικά στρώματα που χωρίζονται από ένα λεπτό διηλεκτρικό στρώμα. Ένα από τα στρώματα είναι ένας μόνιμος μαγνήτης που μαγνητίζεται σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και η μαγνήτιση του άλλου στρώματος αλλάζει υπό την επίδραση ενός εξωτερικού πεδίου. Η συσκευή μνήμης είναι οργανωμένη βάσει μιας αρχής πλέγματος, που αποτελείται από μεμονωμένα «κελιά» που περιέχουν ένα στοιχείο μνήμης και ένα τρανζίστορ.

Οι πληροφορίες διαβάζονται μετρώντας την ηλεκτρική αντίσταση του στοιχείου. Ένα μεμονωμένο στοιχείο επιλέγεται (συνήθως) εφαρμόζοντας ισχύ στο αντίστοιχο τρανζίστορ του, το οποίο παρέχει ρεύμα από την τροφοδοσία ρεύματος μέσω της κυψέλης μνήμης στην κοινή γείωση του τσιπ. Λόγω της επίδρασης της μαγνητοαντίστασης της σήραγγας, η ηλεκτρική αντίσταση του στοιχείου αλλάζει ανάλογα με τον σχετικό προσανατολισμό των μαγνητισμών στα στρώματα. Με το μέγεθος του ρέοντος ρεύματος, είναι δυνατός ο προσδιορισμός της αντίστασης μιας δεδομένης κυψέλης, και κατά συνέπεια, η πολικότητα του επανεγγράψιμο στρώματος. Τυπικά, ο ίδιος προσανατολισμός μαγνήτισης στα στρώματα ενός στοιχείου ερμηνεύεται ως «0», ενώ η αντίθετη κατεύθυνση μαγνήτισης των στρωμάτων, που χαρακτηρίζεται από υψηλότερη αντίσταση, ερμηνεύεται ως «1».

Οι πληροφορίες μπορούν να καταγραφούν σε κελιά χρησιμοποιώντας μια ποικιλία μεθόδων. Στην απλούστερη περίπτωση, κάθε κελί βρίσκεται ανάμεσα σε δύο γραμμές εγγραφής τοποθετημένες σε ορθή γωνία μεταξύ τους, η μία πάνω και η άλλη κάτω από το κελί. Όταν το ρεύμα διέρχεται από αυτές, προκαλείται ένα μαγνητικό πεδίο στη διασταύρωση των γραμμών εγγραφής, το οποίο επηρεάζει το επανεγγράψιμο στρώμα. Η ίδια μέθοδος εγγραφής χρησιμοποιήθηκε στη μνήμη μαγνητικού πυρήνα, η οποία χρησιμοποιήθηκε τη δεκαετία του 1960. Αυτή η μέθοδος απαιτεί ένα αρκετά μεγάλο ρεύμα για να δημιουργηθεί το πεδίο και αυτό τις κάνει να μην είναι πολύ κατάλληλες για χρήση σε φορητές συσκευές όπου η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας είναι σημαντική, αυτό είναι ένα από τα κύρια μειονεκτήματα του MRAM. Επιπλέον, καθώς το μέγεθος του τσιπ μειώνεται, θα έρθει μια στιγμή που το επαγόμενο πεδίο θα επικαλύπτει γειτονικά κελιά σε μια μικρή περιοχή, οδηγώντας σε πιθανά σφάλματα εγγραφής. Εξαιτίας αυτού, αυτός ο τύπος MRAM απαιτεί τη χρήση αρκετά μεγάλων κυψελών. Μια πειραματική λύση σε αυτό το πρόβλημα ήταν η χρήση κυκλικών περιοχών που διαβάζονται και γράφονται χρησιμοποιώντας το γιγάντιο φαινόμενο μαγνητικής απροθυμίας, αλλά η έρευνα προς αυτή την κατεύθυνση δεν διεξάγεται πλέον.

Μια άλλη προσέγγιση, η εναλλαγή τρόπου λειτουργίας, χρησιμοποιεί εγγραφή πολλαπλών βημάτων με ένα τροποποιημένο κελί πολλαπλών επιπέδων. Η τροποποιημένη κυψέλη περιέχει έναν τεχνητό αντισιδηρομαγνήτη, όπου ο μαγνητικός προσανατολισμός εναλλάσσεται εμπρός και πίσω κατά μήκος της επιφάνειας, με προσαρτημένα και ελεύθερα στρώματα που αποτελούνται από στοίβες πολλαπλών στρώσεων που απομονώνονται από ένα λεπτό "στρώμα σύνδεσης". Τα στρώματα που προκύπτουν έχουν μόνο δύο σταθερές καταστάσεις, οι οποίες μπορούν να αλλάξουν από τη μία στην άλλη χρονομετρώντας το ρεύμα εγγραφής στις δύο γραμμές έτσι ώστε η μία να καθυστερεί ελαφρά, «περιστρέφοντας» έτσι το πεδίο. Οποιαδήποτε τάση μικρότερη από το επίπεδο πλήρους εγγραφής στην πραγματικότητα αυξάνει την αντίσταση μεταγωγής της. Αυτό σημαίνει ότι τα κελιά που βρίσκονται κατά μήκος μιας από τις γραμμές εγγραφής δεν θα υπόκεινται στην επίδραση της ακούσιας αντιστροφής μαγνήτισης, επιτρέποντας τη χρήση μικρότερων μεγεθών κελιών.

Μια νέα τεχνολογία, spin-torque-transfer-STT, ή spin-transfer switching, χρησιμοποιεί ηλεκτρόνια spin-state («πολωμένα») για την άμεση περιστροφή περιοχών. Ειδικά αν ρέουν ηλεκτρόνια στο στρώμα, η περιστροφή τους θα πρέπει να αλλάξει, αυτό θα συμβάλει στην περιστροφή και θα μεταφερθεί στο πλησιέστερο στρώμα. Αυτό μειώνει την ποσότητα του ρεύματος που απαιτείται για την εγγραφή πληροφοριών σε μια κυψέλη μνήμης και η κατανάλωση μόνο για ανάγνωση και εγγραφή γίνεται περίπου η ίδια. Η τεχνολογία STT θα πρέπει να λύσει τα προβλήματα που θα αντιμετωπίσει η «κλασική» τεχνολογία MRAM καθώς αυξάνεται η πυκνότητα των κυψελών μνήμης και η αντίστοιχη αύξηση του ρεύματος που απαιτείται για τη γραφή. Επομένως, η τεχνολογία STT θα είναι σχετική όταν χρησιμοποιείται μια τεχνολογική διαδικασία 65 nm ή μικρότερη. Το μειονέκτημα είναι ότι επί του παρόντος, το STT χρειάζεται να μεταφέρει περισσότερο ρεύμα μέσω του τρανζίστορ κίνησης από το συμβατικό MRAM, το οποίο απαιτεί μεγαλύτερο τρανζίστορ και πρέπει να διατηρηθεί η περιστροφική συνοχή. Συνολικά, παρόλα αυτά, το STT απαιτεί πολύ λιγότερο ρεύμα εγγραφής από το συμβατικό ή το διακόπτη MRAM.

Άλλοι πιθανοί τρόποι ανάπτυξης της τεχνολογίας μαγνητοαντιστατικής μνήμης είναι η τεχνολογία θερμικής μεταγωγής (TAS-Thermal Assisted Switching), στην οποία κατά τη διαδικασία γραφής η διασταύρωση μαγνητικής σήραγγας θερμαίνεται γρήγορα (όπως το PRAM) και τον υπόλοιπο χρόνο παραμένει σταθερός σε χαμηλότερη θερμοκρασία. καθώς και τεχνολογία κάθετης μεταφοράς (VMRAM-vertical transport MRAM) στην οποία το ρεύμα που διέρχεται από τις κάθετες στήλες αλλάζει τον μαγνητικό προσανατολισμό και μια τέτοια γεωμετρική διάταξη των κυψελών μνήμης μειώνει το πρόβλημα της τυχαίας αντιστροφής μαγνήτισης και, κατά συνέπεια, μπορεί να αυξήσει την πιθανή πυκνότητα κυττάρων.

2. Σύγκριση με άλλους τύπους μνήμης

2.1. Πυκνότητα τοποθέτησης στοιχείων σε μικροκύκλωμα

Ο κύριος παράγοντας από τον οποίο εξαρτάται το κόστος παραγωγής των τσιπ μνήμης είναι η πυκνότητα τοποθέτησης των μεμονωμένων κυψελών σε αυτό. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος μιας κυψέλης, τόσο περισσότερα από αυτά μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα τσιπ και, κατά συνέπεια, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των τσιπ που μπορεί να παραχθεί κάθε φορά από ένα μεμονωμένο γκοφρέτα πυριτίου. Αυτό βελτιώνει την απόδοση των κατάλληλων προϊόντων και μειώνει το κόστος παραγωγής τσιπ.

Η μνήμη DRAM χρησιμοποιεί πυκνωτές ως στοιχεία μνήμης, αγωγούς που μεταφέρουν ρεύμα προς και από αυτούς και ένα τρανζίστορ ελέγχου - το λεγόμενο στοιχείο "1T/1C". Ο πυκνωτής αποτελείται από δύο μικρές μεταλλικές πλάκες που χωρίζονται από ένα λεπτό στρώμα διηλεκτρικού και μπορεί να κατασκευαστεί όσο μικρό το επιτρέπει η τρέχουσα τεχνολογία διεργασίας. Η μνήμη DRAM έχει την υψηλότερη πυκνότητα κυψέλης από οποιονδήποτε διαθέσιμο τύπο μνήμης σήμερα. Αυτό το καθιστά το φθηνότερο και χρησιμοποιείται ως η κύρια μνήμη RAM των υπολογιστών.

Μια κυψέλη μνήμης MRAM είναι παρόμοια σε σχεδιασμό με μια κυψέλη DRAM, αν και μερικές φορές δεν χρησιμοποιεί τρανζίστορ για την εγγραφή πληροφοριών. Ωστόσο, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η μνήμη MRAM πάσχει από το πρόβλημα της μισής επιλογής, το οποίο περιορίζει το μέγεθος κυψέλης χρησιμοποιώντας συμβατική τεχνολογία MRAM στα 180 nm ή περισσότερο. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία MRAM εναλλαγής λειτουργίας, μπορούν να επιτευχθούν πολλά περισσότερα μικρότερο μέγεθοςκελιά πριν το φαινόμενο μισής επιλογής γίνει πρόβλημα - προφανώς γύρω στα 90 nm. Τα περισσότερα σύγχρονα τσιπ μνήμης DRAM έχουν το ίδιο μέγεθος κυψέλης. Αν και αυτές είναι αρκετά καλές προδιαγραφές για την υιοθέτηση της παραγωγής, υπάρχει πιθανότητα η μαγνητοαντιστατική μνήμη να φτάσει τα μεγέθη των 65 nm, παρόμοια με τις πιο προηγμένες συσκευές μνήμης, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία STT.

2.2. Κατανάλωση ενέργειας

Επειδή οι πυκνωτές που χρησιμοποιούνται στα τσιπ DRAM χάνουν το φορτίο τους με την πάροδο του χρόνου, τα τσιπ μνήμης που τους χρησιμοποιούν πρέπει να ανανεώνουν περιοδικά τα περιεχόμενα όλων των κυψελών διαβάζοντας κάθε κυψέλη και ξαναγράφοντας τα περιεχόμενά της. Αυτό απαιτεί να έχεις μόνιμη πηγήτροφοδοτικό, οπότε μόλις απενεργοποιηθεί η τροφοδοσία του υπολογιστή, η μνήμη DRAM χάνει όλες τις αποθηκευμένες πληροφορίες. Όσο μικρότερο γίνεται το μέγεθος της κυψέλης μνήμης, τόσο πιο συχνοί κύκλοι ανανέωσης απαιτούνται και επομένως η κατανάλωση ενέργειας αυξάνεται.

Σε αντίθεση με το DRAM, το MRAM δεν απαιτεί συνεχή ενημέρωση. Αυτό σημαίνει όχι μόνο ότι η μνήμη διατηρεί τις πληροφορίες που είναι γραμμένες σε αυτήν όταν η τροφοδοσία είναι απενεργοποιημένη, αλλά επίσης ότι ελλείψει λειτουργιών ανάγνωσης ή εγγραφής, δεν καταναλώνεται καθόλου ενέργεια. Αν και θεωρητικά η μνήμη MRAM θα ​​πρέπει να καταναλώνει περισσότερη ενέργεια από τη μνήμη DRAM κατά την ανάγνωση πληροφοριών, στην πράξη έχουν σχεδόν την ίδια κατανάλωση ενέργειας ανάγνωσης. Ωστόσο, η διαδικασία γραφής απαιτεί τρεις έως οκτώ φορές περισσότερη ενέργεια από την ανάγνωση, αυτή η ενέργεια δαπανάται για την αλλαγή του μαγνητικού πεδίου. Ενώ η ακριβής ποσότητα ενέργειας που εξοικονομείται εξαρτάται από τη φύση της λειτουργίας - οι πιο συχνές εγγραφές θα απαιτούν περισσότερη ισχύ - αναμένεται συνολική χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας (έως και 99% λιγότερη) σε σύγκριση με τη μνήμη DRAM. Με την τεχνολογία STT MRAM, η κατανάλωση ενέργειας για γραφή και ανάγνωση είναι περίπου η ίδια και η συνολική κατανάλωση ενέργειας είναι ακόμη χαμηλότερη.

Μπορείτε να συγκρίνετε τη μνήμη μαγνητοαντίστασης με έναν άλλο ανταγωνιστικό τύπο μνήμης, τη μνήμη flash. Όπως και η μνήμη με μαγνητοαντίσταση, η μνήμη flash είναι μη πτητική και δεν χάνει πληροφορίες όταν απενεργοποιείται η τροφοδοσία, γεγονός που καθιστά πολύ εύκολη την αντικατάστασή της. σκληροι ΔΙΣΚΟΙσε φορητές συσκευές όπως συσκευές αναπαραγωγής MP3 ή ψηφιακές κάμερες. Κατά την ανάγνωση πληροφοριών, η μνήμη flash και το MRAM έχουν παρόμοια κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, για την εγγραφή πληροφοριών σε τσιπ μνήμης flash, απαιτείται ισχυρός παλμός τάσης (περίπου 10 V), ο οποίος συσσωρεύεται για ορισμένο χρόνο κατά την άντληση της φόρτισης, αυτό απαιτεί πολλή ενέργεια και χρόνο. Επιπλέον, ο τρέχων παλμός καταστρέφει φυσικά τα κελιά μνήμης και οι πληροφορίες μπορούν να γραφτούν στη μνήμη flash μόνο περιορισμένες φορές πριν αποτύχει η κυψέλη μνήμης.

Σε αντίθεση με τη μνήμη flash, τα τσιπ MRAM απαιτούν λίγη περισσότερη ενέργεια για να γράψουν παρά να διαβάσουν. Δεν χρειάζεται να αυξήσετε την τάση, δεν απαιτείται άντληση φόρτισης. Αυτό οδηγεί σε ταχύτερες λειτουργίες, λιγότερη κατανάλωση ενέργειας και μη περιορισμένη διάρκεια ζωής. Υποτίθεται ότι η μνήμη flash θα είναι ο πρώτος τύπος τσιπ μνήμης που θα αντικατασταθεί τελικά από MRAM.

2.3. Εκτέλεση

Η ταχύτητα της μνήμης DRAM περιορίζεται από την ταχύτητα με την οποία το φορτίο που είναι αποθηκευμένο στις κυψέλες μπορεί να αποστραγγιστεί (για ανάγνωση) ή να αποθηκευτεί (για εγγραφή). Το MRAM λειτουργεί με τη μέτρηση των τάσεων, κάτι που είναι προτιμότερο από την εργασία με ρεύματα επειδή απαιτεί λιγότερο χρόνο για μεταβατικά. Οι ερευνητές της IBM έχουν επιδείξει συσκευές MRAM με χρόνους πρόσβασης της τάξης των 2 ns, αισθητά καλύτερους ακόμη και από τις πιο προηγμένες DRAM που έχουν κατασκευαστεί με βάση τις πιο πρόσφατες τεχνολογικές διαδικασίες. Πλεονεκτήματα σε σύγκριση με Μνήμη flashπιο σημαντικό, ο χρόνος ανάγνωσής τους είναι παρόμοιος, αλλά ο χρόνος εγγραφής είναι χιλιάδες φορές μικρότερος.

Μόνο μία τρέχουσα τεχνολογία μνήμης μπορεί να ανταγωνιστεί την ταχύτητα της μαγνητοαντιστατικής μνήμης. Αυτό στατική μνήμηή SRAM. Οι κυψέλες μνήμης SRAM είναι flip-flops που αποθηκεύουν μία από τις δύο καταστάσεις για όσο διάστημα παρέχεται ενέργεια. Κάθε flip-flop αποτελείται από πολλά τρανζίστορ. Δεδομένου ότι τα τρανζίστορ έχουν πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, οι χρόνοι μεταγωγής τους είναι πολύ σύντομοι. Επειδή όμως μια κυψέλη μνήμης SRAM αποτελείται από πολλά τρανζίστορ, συνήθως τέσσερα ή έξι, η περιοχή της είναι μεγαλύτερη από αυτή μιας κυψέλης μνήμης DRAM. Αυτό κάνει το SRAM πιο ακριβό, επομένως χρησιμοποιείται μόνο σε μικρούς όγκους, ως ειδικό μνήμη υψηλής ταχύτητας, όπως κρυφές μνήμες και μητρώα στα περισσότερα σύγχρονα μοντέλα κεντρικές μονάδες επεξεργασίας.

Αν και η μαγνητοαντιστατική μνήμη δεν είναι τόσο γρήγορη όσο η μνήμη τύπου SRAM, είναι αρκετά ενδιαφέρουσα σε αυτή την χωρητικότητα. Έχει υψηλότερη πυκνότητα και οι σχεδιαστές CPU ενδέχεται στο μέλλον να επιλέξουν να χρησιμοποιήσουν μνήμη cache μεταξύ ενός μεγάλου ποσού λιγότερων γρήγορη μνήμη MRAM και μικρότερες ποσότητες ταχύτερης SRAM. Μένει να δούμε πώς θα πουλάει και πώς θα παίξει στο μέλλον.

2.4. Γενική σύγκριση

Η μαγνητοσυστατική μνήμη έχει απόδοση συγκρίσιμη με τη μνήμη SRAM, την ίδια πυκνότητα κυψέλης, αλλά χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας από τη μνήμη DRAM, είναι ταχύτερη και δεν υποφέρει από υποβάθμιση με την πάροδο του χρόνου σε σύγκριση με τη μνήμη flash. Αυτός είναι ο συνδυασμός ιδιοτήτων που μπορούν να το κάνουν μια «καθολική μνήμη» που μπορεί να αντικαταστήσει τα SRAM, DRAM και EEPROM και Flash. Αυτό εξηγεί τον μεγάλο αριθμό μελετών που στοχεύουν στην ανάπτυξή του.

Φυσικά, αυτή τη στιγμή το MRAM δεν είναι ακόμη έτοιμο για ευρεία χρήση. Η τεράστια ζήτηση στην αγορά της μνήμης flash αναγκάζει τους κατασκευαστές να εφαρμόσουν επιθετικά νέες τεχνολογικές διαδικασίες. Τα πιο πρόσφατα εργοστάσια, τα οποία, για παράδειγμα, παράγουν τσιπ μνήμης flash 16 GB από τη Samsung, χρησιμοποιούν τεχνολογία επεξεργασίας 50 nm. Παλαιότερες γραμμές παραγωγής παράγουν τσιπ μνήμης DDR2 DRAM, τα οποία χρησιμοποιούν την προηγούμενη γενιά τεχνολογίας διαδικασίας 90 nm.

Η μαγνητοσυστατική μνήμη είναι ακόμη σε μεγάλο βαθμό "σε ανάπτυξη" και παράγεται με χρήση απαρχαιωμένων διαδικασιών παραγωγής. Δεδομένου ότι η ζήτηση για μνήμη flash αυτή τη στιγμή υπερβαίνει την προσφορά, δεν θα αργήσει να εμφανιστεί μια εταιρεία που θα αποφασίσει να μεταφέρει ένα από τα εργοστάσιά της, με την τελευταία τεχνολογική διαδικασία, στην παραγωγή μαγνητοαντιστικών τσιπ μνήμης. Αλλά ακόμη και σε αυτή την περίπτωση, ο σχεδιασμός της μαγνητοαντιστατικής μνήμης είναι προς το παρόν κατώτερος από τη μνήμη flash όσον αφορά το μέγεθος κυψέλης, ακόμη και όταν χρησιμοποιούνται οι ίδιες τεχνολογικές διαδικασίες.

3. Ιστορία

• 1955 - εφεύρεση της μνήμης μαγνητικού πυρήνα, η οποία χρησιμοποιεί μια μέθοδο παρόμοια με το MRAM για την ανάγνωση και τη γραφή πληροφοριών.
• 1989 - Οι επιστήμονες της IBM έκαναν μια σειρά από βασικές ανακαλύψεις σχετικά με το «γίγαντα μαγνητοαντιστατικό φαινόμενο» σε δομές λεπτής μεμβράνης.
• 1995 - Η Motorola (αργότερα Freescale) ξεκινά την ανάπτυξη του MRAM.
• 2000 - Ιδρύεται η IBM και η Infeneon γενικό πρόγραμμαΑνάπτυξη MRAM.
• 2002 - Η NVE ανακοινώνει την ανταλλαγή τεχνολογίας με την Cypress Semiconductor.
• 2003 - Παρουσιάστηκε το τσιπ MRAM 128 kbit, που κατασκευάστηκε με τεχνολογία 0,18 micron.

• Ιούνιος - Η Infineon ανακοινώνει ένα πρωτότυπο 16 Mbit που βασίζεται σε τεχνολογία 0,18 micron.
• Σεπτέμβριος - Το MRAM γίνεται τυπικό προϊόν στη Freescale, η οποία αρχίζει να δοκιμάζει το MRAM.
• Οκτώβριος - Οι προγραμματιστές MRAM της Ταϊβάν εκτυπώνουν κελιά 1 Mbit στο TSMC.
• Οκτώβριος - Ο Micron χάνει το MRAM, εξετάζει άλλες αναμνήσεις.
• Δεκέμβριος - TSMC, NEC, Toshiba περιγράφουν νέα κύτταρα MRAM.
• Δεκέμβριος - Η Renesas Technology αναπτύσσει τεχνολογία MRAM υψηλής ταχύτητας, υψηλής αξιοπιστίας.

• Ιανουάριος - Cypress δοκιμάζει MRAM, χρησιμοποιεί NVE IP.
• Μάρτιος - Κυπαρίσσι Πουλάει θυγατρική εταιρεία MRAM.
• Ιούνιος - Η Honeywell αναφέρει φύλλο δεδομένων για MRAM σκληρυμένου με ακτινοβολία 1 Mbit με τεχνολογία 0,15 μικρομέτρων.
• Αύγουστος - Εγγραφή MRAM: Η κυψέλη μνήμης λειτουργεί στα 2 GHz.
• Νοέμβριος - Η Renesas Technology και η Grandis συνεργάζονται για την ανάπτυξη MRAM 65 nm χρησιμοποιώντας περιστροφική-στρεπτική κίνηση.
• Δεκέμβριος - Η Sony αποκαλύπτει το πρώτο MRAM μετατροπής περιστροφικής ροπής του εργαστηρίου, το οποίο χρησιμοποιεί περιστροφικά πολωμένο ρεύμα μέσω ενός στρώματος μαγνητοαντίστασης σήραγγας για την εγγραφή δεδομένων. Αυτή η μέθοδος είναι πιο ενεργειακά αποδοτική και πιο επεκτάσιμη από τα συμβατικά MRAM. Με περαιτέρω πλεονεκτήματα στα υλικά, αυτή η διαδικασία θα πρέπει να επιτρέπει πυκνότητες μεγαλύτερες από αυτές που είναι δυνατές σε DRAM.
• Δεκέμβριος - Freescale Semiconductor Inc. ανακοινώνει το MRAM που χρησιμοποιεί οξείδιο του μαγνησίου αντί για οξείδιο αλουμινίου, επιτρέποντας ένα λεπτότερο φράγμα σήραγγας απομόνωσης και βελτιωμένη αντίσταση bit κατά τη διάρκεια του κύκλου εγγραφής, μειώνοντας έτσι το απαιτούμενο ρεύμα εγγραφής.

3.1. Τρέχουσα κατάσταση

• Φεβρουάριος - Η Toshiba και η NEC ανακοίνωσαν ένα τσιπ MRAM 16 Mbit με νέο σχεδιασμό "power-fan". Πέτυχαν ρυθμό κίνησης 200 MB/s, με χρόνο κύκλου 34 ns - την καλύτερη απόδοση από οποιοδήποτε τσιπ MRAM. Διαθέτουν επίσης το μικρότερο φυσικό μέγεθος στην κατηγορία τους - 78,5 τετραγωνικά χιλιοστά - και χαμηλή απαίτηση ισχύος 1,8 βολτ.
• Ιούλιος - 10 Ιουλίου, Ώστιν Τέξας - Η Freescale Semiconductor εισάγει τσιπ MRAM 4 Mbit στην αγορά, με τιμή περίπου 25,00 $ ανά τσιπ.

• Νοέμβριος - Η NEC ανέπτυξε την ταχύτερη μαγνητοαντιληπτική μνήμη συμβατή με SRAM στον κόσμο, με συχνότητα λειτουργίας 250 MHz.

• Το SpriteSat της Ιαπωνίας χρησιμοποιεί μνήμη μαγνητοαντίστασης από το Freescale Semiconductor για να αντικαταστήσει τα στοιχεία SRAM και FLASH.
• Μάρτιος - Η Siemens επέλεξε τσιπ μνήμης MRAM 4 Mb που παράγονται από τις τεχνολογίες Everspin ως μη πτητική μνήμη για νέους πίνακες βιομηχανικών χειριστών.
• Ιούνιος - Η Samsung και η Hynix γίνονται συνεργάτες στην ανάπτυξη του STT-MRAM.
• Ιούνιος - Η Freescale Semiconductor διασπεί ολόκληρη τη δραστηριότητα της μαγνητοαντιστατικής μνήμης σε μια ξεχωριστή εταιρεία, την Everspin.

• Φεβρουάριος - Η NEC και η NEC Electronics ανακοίνωσαν την επιτυχημένη επίδειξη μαγνητοαντιστατικής μνήμης με χωρητικότητα 32 Mbit.

• Απρίλιος - Η Everspin παρουσίασε τα πρώτα εμπορικά διαθέσιμα τσιπ MRAM στον κόσμο με χωρητικότητα 16 Mb.

4. Εφαρμογή

Η μνήμη MRAM αναμένεται να χρησιμοποιηθεί σε συσκευές όπως:

• Αεροδιαστημικά και στρατιωτικά συστήματα
• Ψηφιακές κάμερες
• Φορητοί υπολογιστές
• Έξυπνες κάρτες
• Κινητά τηλέφωνα
• Σταθμοί βάσης κινητής τηλεφωνίας
• Προσωπικοί υπολογιστές
• Για αντικατάσταση SRAM με μπαταρία
• Ειδικές συσκευές για την καταγραφή δεδομένων (μαύρα κουτιά)