Важной особенностью технологического процесса при производстве eMRAM Samsung можно признать то, что блок памяти добавляется в чип на этапе сборки, упаковки и тестирования. Это означает, что блок eMRAM выпускается отдельно с использованием всего трёх фотомасок и может быть добавлен к чипу вне зависимости от техпроцесса, с помощью которого тот выпущен и без привязки к планарным или FinFET-транзисторам. Вообще без какой-либо привязки к базовому решению. Тем самым блок eMRAM Samsung можно адаптировать под уже готовые и давно запущенные в массовое производство решения, существенно модернизировав актуальные разработки.

Ещё раз повторим, Samsung не даёт точного описания приборов с eMRAM, которые она запустила в массовое производство. Уточнённые данные мы узнаем чуть позже, и всё расскажем на наших страницах. Пока заявлено, что скорость работы eMRAM в 1000 раз больше eNAND (eFlash). В демонстрационном ролике выше компания показывает, что скорости чтения из eMRAM и SRAM одинаковые. Потребление в режиме записи памяти eMRAM составляет всего 1/400 от потребления при записи eNAND, а устойчивость к износу на несколько порядков выше. Также следует ожидать, о чём Samsung не говорит в пресс-релизе, что её память eMRAM относится, скорее всего, к типу STT-MRAM с записью с переносом момента спина электрона. Собственно, об этом говорят энергетические показатели в режиме записи. Очень экономная, энергонезависимая и быстрая память.

Память MRAM, как известно, обладает меньшими задержками и лучшей скоростью доступа, чем память NAND. При этом MRAM является энергонезависимой памятью, хотя несколько уступает DRAM и SRAM по скорости доступа. В качестве памяти встраиваемой в микроконтроллеры и SoC, память MRAM повысит надёжность и устойчивость работы обычной бытовой и носимой электроники, электроники для вещей с подключением к Интернету, а также промышленных и автомобильных схемотехнических решений.

Партнёры не намерены бесконечно оставаться на 28-нм техпроцессе, и рассчитывают со временем перевести производство встроенных блоков MRAM на техпроцессы с меньшими нормами производства. Несколько слов о компании Avalanche Technology. Компания основана в 2006 году Петром Эстахри (Petro Estakhri). Петро Эстахри стал учредителем и гендиректором Avalanche. До этого он основал в 1996 году и работал главным технологом в компании Lexar Media, пока её в 2006 году не купила компания Micron. До Lexar Петро разрабатывал контроллеры флеш-памяти для компании Cirrus Logic. Можно ожидать, что UMC заключила договор с правильным разработчиком.

Доступ компании UMC к лицензионным технологиям производства MRAM особенно интересен по одной важной причине. Аналогичным образом UMC получила доступ к технологиям производства встраиваемой памяти DRAM и памяти вообще. На данном этапе это сыграло ключевую роль в передаче технологий производства DRAM китайцам, с чем, например, в корне компания Micron. Поэтому аналогичным образом технология производства MRAM тоже может перейти в руки китайских производителей. Кстати, как и интересная технология производства памяти на углеродных нанотрубках, которую UMC может получить вместе с завода Fujitsu.

Кое-что новенькое: память SOT-MRAM можно выпускать в промышленных масштабах

Как мы знаем , энергонезависимую память STT-MRAM (spin-transfer torque MRAM) в настоящее время выпускает компания GlobalFoundries по проекту компании Everspin Technologies. Плотность 40-нм микросхем STT-MRAM составляет всего 256 Мбит (32 Мбайт), что выгодно компенсируется высокой скоростью работы и большей устойчивостью к разрушению во время операций очистки, чем в случае памяти NAND. Эти высокие качества STT-MRAM позволяют претендовать магниторезистивной памяти с записью данных с помощью переноса спинового момента (spin-transfer torque) на место в процессоре. Как минимум речь идёт о замене массивов SRAM на массивы STT-MRAM в качестве кеш-памяти третьего уровня (L3). А что же с кеш-памятью L1 и L2?

По мнению специалистов бельгийского исследовательского центра Imec, для использования магниторезистивной памяти MRAM в качестве энергонезависимого кеша первого и второго уровней память STT-MRAM подходит не очень хорошо. На эту роль претендует более совершенный вариант магниторезистивной памяти, а именно — SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM). Запись в ячейку SOT-MRAM также происходит спин-поляризованным током, но только в виде передачи вращательного момента, используя для этого спин-орбитальный момент электронов.

Принципиальная разница заключается в схеме управления туннельным переходом в составе ячейки памяти и в методе записи. Так, ячейка STT-MRAM представляет собой бутерброд из двух тонкоплёночных структур (разделённых диэлектриком), одна из которых имеет постоянную намагниченность, а вторая «свободную» — зависящую от поляризации приложенного тока. Запись и чтение данных из такой ячейки происходят одинаково при пропускании токов перпендикулярно через туннельный переход. Тем самым износ ячейки происходит как во время записи, так и во время чтения, хотя при чтении токи значительно меньше, чем при записи.

Ячейка с туннельным переходом SOT-MRAM, также содержащая свободный слой и слой с постоянной намагниченностью, записывается током, который движется вдоль туннельного перехода, а не через все слои. Изменение «геометрии» подачи тока, заявляют в Imec, значительно повышает как устойчивость ячейки к износу, так и скорость переключения слоя. При сравнении работы ячеек STT-MRAM и SOT-MRAM, выпущенных на одной и той же пластине типоразмера 300 мм, для SOT-MRAM устойчивость к износу превысила 5·10 10 , а скорость переключения ячейки (запись) снизилась с 5 нс до 210 пс (пикосекунд). Потребление при этом было на низком уровне, равном 300 пДж (пикоджоулей).

Особый шарм всей этой истории заключается в том, что в Imec показали возможность выпускать память SOT-MRAM на штатном оборудовании на 300-мм кремниевых подложках. Иначе говоря, на практическом уровне доказали возможность запуска массового производства памяти типа SOT-MRAM.

GlobalFoundries предлагает эталонные 22-нм контроллеры с eMRAM

Многолетнее партнёрство компании GlobalFoundries и разработчика магниторезистивной памяти eMRAM и MRAM компании Everspin Technologies уже ь в производство 40-нм чипов энергонезависимой памяти типа ST MRAM (Spin-Torque MRAM). На линиях GlobalFoundries выпускаются массовые 256-Мбит 40-нм микросхемы ST MRAM и опытные 1-Гбит 28-нм чипы. Для производства памяти Everspin используются обычные пластины из монолитного кремния.

На следующем этапе GlobalFoundries собирается освоить выпуск ST MRAM с использованием пластин FD-SOI (полностью обеднённый кремний на изоляторе) с нормами 22 нм (кодовое название техпроцесса 22FDX). В текущем году техпроцесс 22FDX будет внедрён в массовое производство на заводах компании в Дрездене, а в следующем году — на новом производстве GlobalFoundries в Китае.

Встраиваемую память eMRAM в сочетании с эталонными микроконтроллерами GlobalFoundries планирует предложить своим клиентам ближе к концу 2018 года. За разработку контроллеров отвечает компания eVaderis, а GlobalFoundries предложит техпроцесс 22FDX и технологию интеграции массивов eMRAM в состав контроллера. В качестве опции клиенты смогут заказать интеграцию в MCU eVaderis блоков NAND-флеш и SRAM.

Техпроцесс 22FDX позволит создавать экономичные по потреблению и площади решения. Платформа в виде eMRAM с MCU eVaderis будет распространяться в виде IP-блоков для самостоятельного производства и для интеграции в решения клиентов GlobalFoundries. Это могут быть контроллеры для вещей с подключением к Интернету, в том числе с батарейным питанием, контроллеры для потребительской и промышленной электроники, а также контроллеры для автомобилей.

Samsung первой приблизилась к выпуску 28-нм eMRAM на подложках FD-SOI

Все предыдущие годы главными шагами по развитию производства полупроводников оставалась смена масштаба технологических норм. Сегодня, когда уменьшить размер элемента на кристалле становится предельно трудно, популярность обретают обходные пути, в частности, переход на полупроводниковые пластины с изолирующим слоем из полностью обеднённого кремния или FD-SOI. Пластины FD-SOI в производстве уже активно использует компания STMicroelectronics и готовятся использовать компании GlobalFoundries и Samsung.

На прошлой неделе мы познакомились с планами GlobalFoundries, которая начнёт рисковое производство с техпроцессом 22FDX (22 нм) в конце 2018 года. Компания Samsung, как стало известно из свежего официального сообщения производителя, вскоре планирует приступить к массовому выпуску решений с использованием фирменного техпроцесса 28FDS (28 нм). Обратим ваше внимание, что техпроцессы GlobalFoundries и Samsung отличаются, хотя в случае обработки монолитного кремния GlobalFoundries лицензировала у Samsung техпроцессы с нормами 28 нм и 14 нм FinFET. Техпроцесс 22FDX компания GlobalFoundries лицензировала у STMicroelectronics.

Возвращаясь к анонсу Samsung, отметим, что производитель сообщил о создании первого в индустрии цифрового проекта встроенной памяти eMRAM применительно к техпроцессу 28FDS. Тем самым выпуск опытного блока eMRAM с нормами 28 нм на пластинах FD-SOI можно ожидать в конце весны или в начале лета следующего года. Массовое производство решений, очевидно, стартует ближе к концу 2018 года, когда GlobalFoundries только-только увидит первые опытные решения, выпускаемые с техпроцессом 22FDX.

Принцип хранения информации в ячейке памяти MRAM

Компания GlobalFoundries, в техпроцессе 22FDX тоже будет выпускать решения со встроенной памятью eMRAM. Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) работает со скоростью, близкой к скорости обычной оперативной памяти. Большая площадь ячейки магниторезистивной памяти не позволяет выпускать ёмкие чипы MRAM, что тормозит её массовое появление в компьютерных системах. Начало производства 28-нм и 22-нм кристаллов MRAM обещает появление чипов ёмкостью от 1 Гбит и выше. Этого уже достаточно, чтобы те же SSD получили нормальный и энергонезависимый буфер памяти вместо привычной памяти DDR. И GlobalFoundries, и Samsung делают всё возможное, чтобы это стало реальностью после 2018 года.

GlobalFoundries готовится выпускать 22-нм контроллеры с памятью eMRAM

На сегодня наибольшего прогресса в деле освоения производства такого нового типа энергонезависимой памяти, как MRAM (магниторезистивная память), добилась компания GlobalFoundries. В GlobalFoundries заключила договор на внедрение в производство памяти ST MRAM (Spin-Torque MRAM), которую разработала компания Everspin Technologies. Это память с записью данных в ячейку с помощью переноса спина электрона на основе тоннельного эффекта. Такая память значительно энергоэффективнее NAND-флеш и намного быстрее и надёжнее её. Основная проблема MRAM заключается в сравнительно крупной ячейке и низкой плотности записи. Эту проблему компания GlobalFoundries постепенно решает.

В августе на мероприятии Flash Summit 2017 GlobalFoundries и Everspin показали самую передовую и плотную в индустрии память MRAM: массово выпускаемые и опытные 1-Гбит 28-нм чипы. Всю эту память выпускает компания GlobalFoundries. Но главной услугой стала возможность выпускать на мощностях GlobalFoundries контроллеры и SoC со встроенным массивом памяти MRAM. Такие решения отличаются быстрой и надёжной встроенной памятью, выполнение кода в которой происходит почти также быстро, как в оперативной памяти. А с настоящего момента GlobalFoundries предлагает инструменты для проектирования 22-нм контроллеров со встроенной памятью MRAM на пластинах FD-SOI (кремний на изоляторе с полностью обеднённым слоем).

Первые проекты решений для техпроцесса 22FDX со встроенной памятью MRAM будут собраны для опытного производства к первому кварталу 2018 года. Рисковое производство по этим проектам будет проведено в конце 2018 года. В GlobalFoundries ожидают, что техпроцессом 22FDX воспользуются проектировщики бытовых, индустриальных и автомобильных контроллеров и решений для вещей с подключением к Интернету с батарейным питанием. Техпроцесс 22FDX обещает достаточно экономное потребление для чипов и высокую надёжность хранения данных. Например, ячейки MRAM в техпроцессе 22FDX могут хранить данные без потери 10 лет при температуре 125 градусов по Цельсию. Также опыты подтверждают, что в процессе перепайки памяти с нагревом до 260 градусов ячейки MRAM не теряют информацию. Подобные характеристики востребованы для бортовой электроники, и они гарантированно найдут применение на практике.

TSMC займётся производством микрочипов памяти eMRAM и eRRAM

Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), по информации сетевых источников, намерена организовать производство чипов памяти нового поколения.

Речь идёт об изделиях MRAM и RRAM для встраиваемых устройств. Напомним, что MRAM — это магниторезистивная память с произвольным доступом: информация в данном случае хранится при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов. Что касается RRAM, то это резистивная память с произвольным доступом, принцип работы которой заключается в изменении сопротивления ячейки памяти под действием приложенного напряжения. Важно отметить, что оба типа памяти являются энергонезависимыми, то есть могут сохранять записанную информацию при отсутствии внешнего питания.

Итак, сообщается, что TSMC планирует организовать рисковое производство eMRAM (Embedded MRAM) в 2018 году, а eRRAM — в 2019. При этом планируется задействовать 22-нанометровую технологию.

Ожидается, что изделия eMRAM и eRRAM, выпущенные на линиях TSMC, будут применяться в системах для «умных» автомобилей, устройствах Интернета вещей, всевозможных мобильных гаджетах и пр.

Отметим также, что в следующем году TSMC планирует начать массовый выпуск продукции с применением передовой 7-нанометровой технологии. Эта методика будет использоваться при изготовлении микрочипов для мобильных устройств, систем высокопроизводительных вычислений и автомобильной техники.

SK Hynix и Toshiba создали модуль памяти STT-MRAM ёмкостью 4 Гбит

Компании SK Hynix и Toshiba отрапортовали о новых достижениях в разработке магниторезистивной памяти (MRAM).

Информация в MRAM хранится при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов. Магнитные элементы сформированы из двух ферромагнитных слоёв, разделённых тонким слоем диэлектрика. Один из слоёв представляет собой постоянный магнит, намагниченный в определённом направлении, а намагниченность другого слоя изменяется под действием внешнего поля.

SK Hynix и Toshiba применяют технологию STT-MRAM — Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory. Она использует «перенос спина» для перезаписи ячеек памяти. Данный эффект позволяет уменьшить величину тока, необходимую для записи информации в ячейку.

Модуль памяти STT-MRAM, созданный специалистами SK Hynix и Toshiba, имеет ёмкость 4 Гбит. Он состоит из восьми блоков объёмом 512 Мбит каждый. Изделие обладает энергонезависимостью, малым временем доступа и высокой скоростью передачи данных.

Более подробно о решении компании расскажут на мероприятии ISSCC 2017, которое пройдёт в феврале. Вывести разработку на коммерческий рынок SK Hynix и Toshiba рассчитывают в течение двух-трёх лет.

Выпуск 256-Мбит памяти MRAM повысит надёжность работы SSD

Слабым местом накопителей на твердотельной памяти или SSD остаётся кеш-буфер из памяти типа DRAM. В настоящий момент в качестве буферной памяти широко используются микросхемы памяти DDR3. Давно планируется, что в качестве энергонезависимого буфера SSD будет использоваться какой-то из новых и перспективных видов энергонезависимой памяти — MRAM, RRAM, PCM или что-то другое (3D XPoint?). Собственно, отдельные накопители или подсистемы для кеширования данных в стоечных системах хранения уже используют магниторезистивную память MRAM и даже память на основе эффекта изменяемого фазового состояния вещества (PCM). Широкое использование памяти MRAM и PCM ограничено малой ёмкостью микросхем этих типов памяти. В будущем, тем не менее, всё обещает измениться. И это будущее может оказаться ближе, чем ожидается.

В интервью сайту EE Times исполнительный директор компании Everspin Technologies сообщил , что до конца года будет налажен выпуск 1-Гбит микросхем MRAM типа ST-MRAM. В основе разновидности этой памяти MRAM — ST-MRAM — лежит эффект записи ячейки с помощью туннельного переноса информации магнитным спином электронов. В настоящий момент компания Everspin приступила к массовому выпуску памяти ST-MRAM ёмкостью 256 Мбит (32 Мбайт). Подобная ёмкость, уверены в компании, позволяет памяти ST-MRAM уверенно войти в состав SSD и стать «неубиваемой» заменой RAM-буфера, ведь с отключением питания данные в ST-MRAM не пропадают. Для этого компания выпускает микросхемы ST-MRAM с интерфейсами DDR3 и DDR4.

Ранее память ST-MRAM компании Everspin в системах кеширования данных использовала компания Dell в серверах PowerEdge и в системах хранения PowerVault (DAS) и EqualLogic (SAN). Компания LSI задействовала энергонезависимую память ST-MRAM в RAID-накопителях для ведения истории транзакций, а японская компания Melco (торговая марка Buffalo) даже выпускала определённые модели SSD с буфером из ST-MRAM микросхем. С выходом более ёмкой памяти ST-MRAM подобная практика обещает стать распространённой, что повысит надёжность работы с SSD.

Московский физико-технический институт (МФТИ) и компания «Крокус НаноЭлектроника» (КНЭ) сообщили о начале совместной исследовательской программы по разработке и апробации технологии производства магниторезистивной памяти STT-MRAM.

Память MRAM хранит информацию при помощи магнитных моментов. Технология STT-MRAM (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory), в свою очередь, использует «перенос спина» для перезаписи ячеек памяти. Применение этого эффекта в традиционной магниторезистивной памяти позволяет уменьшить величину тока, необходимую для записи информации в ячейку, а также использовать техпроцесс с нормами от 90 до 22 нанометров и меньше.

Сообщается, что МФТИ и КНЭ направят свои усилия на разработку новых материалов, дизайн микрочипов, а также разработку методов их контроля и моделирования. Выпуск памяти STT-MRAM планируется организовать на мощностях КНЭ: технологическая площадка этой компании позволяет производить продукцию на основе магнитных туннельных структур по топологической норме до 90/65 нанометров на пластинах диаметром 300 мм.

«Производственные мощности нашей компании идеально подходят для создания встроенных или дискретных продуктов на основе STT-MRAM. Мы ожидаем, что в ближайшее время у этой технологии появится большой рынок — этому поспособствует превосходство STT-MRAM по таким показателям, как количество циклов перезаписи, скорость и энергопотребление », — сообщили в КНЭ.

Добавим, что в настоящее время все крупнейшие производители динамической оперативной памяти DRAM имеют свои программы STT-MRAM — данная технология считается основным кандидатом на замещение DRAM в ближайшем будущем.

Магниторезистивная оперативная память

Магниторезистивная память – это один из перспективных типов оперативной памяти, пока еще не получивший широкого распространения, но обладающий рядом преимуществ, по сравнению с остальными типами оперативной памяти. В ближайшем будущем этот тип памяти, несомненно, приобретет большую популярность.

Давайте разберемся, как она работает. И начнем с устройства ячейки магниторезистивной памяти. Упрощенная структурная схема ячейки магниторезистивной памяти представлена на рисунке 1.

Каждая ячейка магниторезистивной памяти хранит 1 бит данных в магнитном элементе (MTJ 1), состоящем из двух ферромагнетиков, между которыми располагается тонкий слой диэлектрика.

Ферромагнетик – это вещество, которое обладает намагниченностью (при температуре ниже точки Кюри), даже в отсутствии внешнего магнитного поля.

Диэлектрик - это вещество, плохо проводящее электрический ток.

Причем один из ферромагнетиков (ферромагнетик F 2) – это постоянный магнит, намагниченный в определенном направлении, а другой ферромагнетик (ферромагнетик F 1) может изменять направление намагниченности под действием электрического поля. Если оба ферромагнетика имеют одинаковую направленность намагниченности, то считается, что в ячейке памяти храниться ноль. Если направления намагниченности ферромагнетиков перпендикулярны, то считается, что в ячейке памяти хранится единица.

Для изменения направления намагниченности ферромагнетика F 1 , необходимо подать ток в линии WC 1 и WL 1 . В точке пересечения этих линий, как раз там, где располагается магнитный элемент, создастся электрическое поле достаточной мощности, чтобы ферромагнетик F 1 изменил направление намагниченности. Остальные ячейки магниторезистивной памяти, располагающиеся вдоль строки и столбца, на которые подан ток, не изменят направления намагниченности, так как мощность поля, создаваемого только током в линии WC 1 , или только током в линии WL 1 , недостаточна.

Такой способ изменения намагниченности (записи данных в ячейку памяти) очень похож на принцип работы памяти на магнитных сердечниках, широко используемой во втором поколении ЭВМ.

Схематически описанная ячейка магниторезистивной памяти изображена на рисунке 2.

Однако запись данных в ячейки магниторезистивной памяти описанным выше способом требует создания мощного электрического поля, поэтому магнитные элементы соседних ячеек приходится располагать далеко друг от друга, а, следовательно, размер магниторезистивной памяти будет достаточно большим. Да и энергопотребление будет велико, особенно для применения такой памяти в мобильных вычислительных системах, даже с учетом того, что на хранение данных в ячейках магниторезистивной памяти энергия не расходуется.

По этой причине ведутся активные поиски альтернативных способов записи данных в магниторезистивную память, например, термическая запись, при которой ячейка памяти непосредственно перед записью нагревается, упрощая изменение направления намагниченности, или поэтапная запись с использованием антиферромагнетиков и многослойной ячейки памяти. Существуют и другие способы записи в магниторезистивную память, однако все они пока находятся на этапе создания опытных образцов и пока не готовы к использованию в массовом производстве.

Но в будущем этот тип памяти может вытеснить все остальные типы ОЗУ, так как потенциально обладает значительно лучшими характеристиками, как по скорости работы, так и по качеству и объемам хранимой информации. Хотя и сейчас эта память применяется, но, в основном, в больших научных и технических проектах. Так в 2008 году в японском искусственном спутнике SpriteSat была применена магниторезистивная память производства Freescale Semiconductor. А с апреля 2011 года доступны первые коммерческие микросхемы MRAM, ёмкостью 16 Мбит, и это только начало.

С чтением данных из магниторезистивной памяти все проще. Здесь уже существует вполне приемлемый способ, основанный на изменении электрического сопротивления при протекании тока между двумя слоями ферромагнетика, разделенного тонким слоем диэлектрика. Общее сопротивление будет выше при перпендикулярной ориентации намагниченности слоев диэлектрика. По величине протекающего через ячейку тока можно определить ориентацию намагниченности и, соответственно, определить содержание ячейки памяти.

Если вернуться к рисунку 2, то чтение данных из ячейки памяти будет организовано следующим образом:

• на линию RL 1 подается ток, открывающий транзистор VT 1 и разрешающий чтение данных из ячейки памяти;
• на линию WC 1 подается ток, проходящий через магнитный элемент MTJ 1 , а далее, через открытый транзистор VT 1 , – в устройство чтения данных, где по величине тока будет определено значение, хранящееся в ячейке памяти.

Давайте рассмотрим основные преимущества и недостатки магниторезистивной памяти.

Достоинства:

• энергонезависимость;
• высокое быстродействие (быстрее DRAM, но медленнее SRAM);
• не требуется регенерация ячеек.

Недостатки:

• сложности с существующими способами записи;
• большой размер ячейки памяти, из-за технологии записи;
• высокое энергопотребление по той же причине.

На этом закончим обзор оперативной памяти. Естественно, существуют и другие типы памяти и способы оперативного хранения информации, но они пока что мало распространены или вовсе существуют только в теории. Поэтому в этой статье мы их рассматривать не будем, но обязательно затронем эту тему в статьях, посвященных перспективам развития вычислительной техники.

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 , использующая, по одной версии, эффект фазового перехода вещества, а по другой – некую иную технологию, о подробностях которой предпочитают не распространяться.

Среди других:

• 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 , 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.

Нанозернистые ферромагнетики успешно используют для записи и считывания больших компактных массивов информации не только на магнитных дисках, но и в оперативной памяти ЭВМ.

Элементарная ячейка новейшей магнитной памяти

Элементарной ячейкой такой памяти чаще всего является многослойная структура ( рис. 11.9), в которой объединены ферромагнитный запоминающий элемент и туннельный магниторезистивный датчик.

Рис. 11.9.

Ферромагнетик запоминающего слоя, хотя и имеет коэрцитивную силу, достаточную для того, чтобы долго сохранять записанную информацию, все же может быть перемагничен сильным внешним магнитным полем. Его в публикациях, касающихся магниторезистивной памяти, обычно называют "свободным" ферромагнитным слоем. А магнитожесткий слой выполняет функцию постоянного магнита, его коэрцитивная сила намного больше, и направление намагниченности даже в сильных полях остается неизменным. Соответственно его обычно называют "фиксированным" ферромагнитным слоем. На графике справа приведена типичная зависимость электрического сопротивления такой ячейки от напряженности внешнего магнитного поля. Когда запоминающий слой намагничен противоположно к фиксированному ферромагнитному слою, то электрическое сопротивление ячейки велико. Когда же внешнее магнитное поле превышает коэрцитивную силу запоминающего слоя, то он перемагничивается, электрическое сопротивление ячейки резко падает, оставаясь таким же низким и после исчезновения внешнего магнитного поля. Это и позволяет в любой момент проверить, в каком состоянии ("0" или "1") находится запоминающий элемент ячейки.

Оперативную память, построенную из таких ячеек, в англоязычных источниках называют MRAM (magnetoresistive random-access memory ). В отечественных публикациях ее также часто именуют "магниторезистивной памятью", хотя это и не совсем точно. Ведь информация (направление намагниченности) запоминается и сохраняется именно в ферромагнитном запоминающем слое, а совсем не в магниторезистивном датчике. Поэтому точнее было бы называть такой вид памяти "магнитным оперативным запоминающим устройством" (МОЗУ). Но такое название уже было в истории развития вычислительной техники: так продолжительное время называли ОЗУ на миниатюрных ферритовых кольцах, о которых мы упоминали в предыдущей лекции. Чтобы не создавать почвы для путаницы, мы также будем называть такой вид памяти магниторезистивным оперативным запоминающим устройством или магниторезистивным ОЗУ (МРОЗУ).

Матричная организация МРОЗУ

Магниторезистивные ячейки типа изображенной на рис. 11.9 в принципе могут быть очень малыми (до 10 нм) и довольно плотно упакованными. Однако из-за необходимости произвольного доступа к каждой из них при считывании и для записи информации реально обеспечить наибольшую плотность упаковки далеко не просто. Обычно используют матричную организацию, когда ячейки памяти размещают на пересечениях двух взаимно перпендикулярных систем шин-электродов ( рис. 11.10).

Одну из этих систем шин подключают к выходам дешифратора адреса. Это – адресные шины, которые иногда называют еще "шинами выбора слова" или "словарными шинами". Когда на дешифратор ОЗУ подается код адреса, дешифратор активирует лишь одну из этих шин, порядковый номер которой соответствует заданному адресу. Перпендикулярные разрядные шины соответствуют отдельным битам (разрядам) выбранного слова, которое считывается или записывается. Поэтому эти шины иногда называют также и "битовыми".

Для адресной матричной выборки отдельных ячеек памяти важна ориентация оси легкого намагничивания запоминающего слоя. Используемая ориентация оси легкого намагничивания в ячейках памяти относительно системы шин показана на рис. 11.11 . Эта ось образует с каждой системой шин угол .

Принципиальная схема формирования выходных сигналов в режиме считывания показана на рис. 11.12 . На дешифратор Дш подается -разрядный двоичный адрес того слова, которое надо считывать. Соответственно этому адресу Дш "выбирает" одну из шин, например, -ю адресную шину и подает на нее напряжение считывания . Величина электрического тока, который течет при этом в каждую разрядную шину, зависит от записанной в соответствующий разряд информации. Через те ячейки памяти, сопротивление которых велико, течет сравнительно малый ток, а через те, сопротивление которых мало, – сравнительно большой ток.

Каждая разрядная шина соединена со своей схемой усиления и формирования сигнала считывания (УФ1, УФ2, УФ3, ... , УФm), с выходов которых параллельно считывается записанное в памяти -разрядное двоичное слово.

Запись информации производится по разрядам. Принципиальная схема записи показана на рис. 11.13 . К началу записи на дешифратор Дш подается -разрядный двоичный адрес того слова, которое надо записать, а в регистр записываемого слова – его двоичный код. В соответствии с заданным адресом Дш "выбирает" одну из шин, например, -ю адресную шину и открывает соответствующий вентиль (напр., МДП транзистор). Через него в шину выбранного слова подается импульс электрического тока от источника тока записи (ИТЗ). Направление этого тока определяется тем, какой бит ("0" или "1") надо записать. Регистр записываемого слова поочередно посылает сигналы на источник тока каждой разрядной шины (ИТ1, ИТ2, ... , ИТm), под действием которых в разрядную шину подается импульс тока того или иного направления.

Процесс записи иллюстрирует рис. 11.14 . На нем слева ( рис. 11.14 .а) показана матрица магниторезистивной памяти. Стрелками показаны направления протекания электрического тока сквозь выбранные разрядную и адресную шины. Штриховыми линиями условно изображены силовые линии магнитного поля соответствующих токов.

) в запоминающем слое при противоположных направлениях тока (вид сверху). Через обозначено направление намагниченности магнитожесткого (фиксированного) слоя ячейки. В одном случае электрические токи перемагничивают запоминающий слой параллельно , а при противоположных направлениях токов – антипараллельно . Величина токов записи должна быть выбрана так, чтобы магнитное поле, созданное лишь одним из токов, было недостаточным для перемагничивания ячеек, прилегающих к соответствующей шине. И только действуя вместе на выбранную ячейку памяти, эти токи должны создавать суммарное магнитное поле , превышающее коэрцитивную силу и перемагничивающее запоминающий слой в нужном направлении.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

« Южно-Уральский Государственный Университет »

Факультет « Энергетический »

Кафедра « ЭСИС »

Магниторезистивная оперативная память реферат по дисциплине« Информатика »

Проверил, (доцент) _______________ / Башмакова Н.Ю. / _______________ 20__г. Автор работы студент группы Э-164 _______________ / Кулагин А.Д. / _______________ 20__г. Реферат защищён с оценкой (прописью, цифрой) _____________________ _______________20__г.

Аннотация

Кулагин А.Д. Магниторезистивная оперативная память Э-164 13

Цель реферата – отразить процесс энергонезавсемости при отсутствии внешнего питания.

Задачи реферата – изучить свойства и назначения запоминающего устройства с произвольным доступом MRAM.

1 Введение 4

2 История создания технологии MRAM 5

3 Свойства магниторезистивной памяти 5

3.1 Преимущества 5

3.2 Недостатки 5

3.2.1 Сравнительные характеристики основных типов памяти 6

4 Структура и функционирование битовых ячеек MRAM 6

5 Микросхема памяти MR2A16A 8

5.1 Функции выводов MR2A16A 8

6 Области применения энергонезависимой памяти MRAM 9

7 Перспективы развития 10

8 Заключение 12

9 Библиографический список 13

1. Введение

Магниторезистивная оперативная память (MRAM) - запоминающее устройство с произвольным доступом, которое хранит информацию при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов.

Важнейшее преимущество этого типа памяти - энергонезависимость, то есть способность сохранять записанную информацию при отсутствии внешнего питания.

1. История создания технологии mram

История создания магниторезистивной памяти MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) насчитывает уже не один десяток лет. В частности, в России также проводились работы по созданию магниторезистивной памяти для применения в военной и аэрокосмической областях. Однако практически все попытки создания серийной памяти MRAM не приводили к появлению надежного продукта, пригодного для серийного производства.

Такие крупные фирмы, как IBM, Cypress, Toshiba, Renesas, Hitachi, Mitsubishi, Motorola и др., работали над созданием памяти более 10 лет. Компания Motorola приступила к исследованиям в области магниторезистивных структур в 1995 г. совместно с агентством перспективных исследований МО США (DARPA US). После отделения всего сектора полупроводниковых компонентов от Motorola в 2004 г. уже независимая компания Freescale Semiconductor продолжила работы по доведению продукта до серийного производства. В результате 10 июля 2006 г. был анонсирован законченный коммерческий продукт, использующий технологию MRAM, - автономный модуль MR2A16A с объемом памяти 4 Мбит.

Магниторезистивная память является революционной технологией, обладающей всеми необходимыми свойствами для того, чтобы стать действительно универсальной. Кроме того, она имеет ряд уникальных особенностей, открывающих широкие рыночные перспективы.

1. Свойства магниторезистивной памяти

   1. Преимущества

энергонезависимость;

высокое быстродействие;

не требуется регенерация ячеек.

1. Недостатки

сложности с существующими способами записи;

большой размер ячейки памяти, из-за технологии записи;

высокое энергопотребление по той же причине.