Magnetorezistivní RAM - Magnetoresistive RAM

„MRAM“ přeadresuje tady. Pro mongolskou vládní agenturu viz Úřad pro nerostné zdroje Mongolska .
Typy paměti počítače a datového úložiště
Všeobecné
Nestálý
RAM
Historický
Non-volatile
ROM
NVRAM
Počáteční fáze NVRAM
Analogové nahrávání
Optický
Ve vývoji
Historický

Magnetorezistivní paměť s náhodným přístupem ( MRAM ) je typ energeticky nezávislé paměti s náhodným přístupem, která ukládá data do magnetických domén . Vyvinutí v polovině 80. let zastánci tvrdili, že magnetorezistivní RAM nakonec překoná konkurenční technologie a stane se dominantní nebo dokonce univerzální pamětí . V současné době mají používané paměťové technologie, jako je flash RAM a DRAM , praktické výhody, které doposud držely MRAM na trhu na specializovaném místě.

Popis

Zjednodušená struktura buňky MRAM

Na rozdíl od konvenčních čipových technologií RAM nejsou data v MRAM ukládána jako elektrický náboj nebo toky proudu, ale pomocí magnetických úložných prvků. Prvky jsou vytvořeny ze dvou feromagnetických desek, z nichž každá může obsahovat magnetizaci, oddělených tenkou izolační vrstvou. Jedna ze dvou desek je permanentní magnet nastavený na určitou polaritu; magnetizaci druhé desky lze změnit tak, aby odpovídala externímu poli pro uložení paměti. Tato konfigurace je známá jako spojení magnetického tunelu a je nejjednodušší strukturou pro bit MRAM . Paměťové zařízení je postaveno ze sítě takových „buněk“.

Nejjednodušší způsob čtení se provádí měřením elektrického odporu článku. Konkrétní článek je (typicky) vybrán napájením přidruženého tranzistoru, který přepíná proud z napájecího vedení přes článek na zem. Vzhledem k magnetorezistenci tunelu se elektrický odpor článku mění s relativní orientací magnetizace ve dvou deskách. Měřením výsledného proudu lze určit odpor uvnitř jakéhokoli konkrétního článku a z toho polaritu magnetizace zapisovatelné desky. Obvykle, pokud mají dvě desky stejné zarovnání magnetizace (stav s nízkým odporem), je to považováno za „1“, zatímco pokud je zarovnání antiparalelní, bude odpor vyšší (stav s vysokým odporem), a to znamená „0“.

Data se zapisují do buněk pomocí různých prostředků. V nejjednodušším „klasickém“ designu leží každá buňka mezi dvojicí řádek pro zápis uspořádaných v pravém úhlu k sobě navzájem, rovnoběžně s buňkou, jednou nad a jednou pod buňkou. Když jimi prochází proud, na křižovatce se vytvoří indukované magnetické pole , které zapisovatelná deska zachytí. Tento způsob provozu je podobný paměti s magnetickým jádrem , systému běžně používanému v šedesátých letech minulého století. Tento přístup vyžaduje pro generování pole poměrně značný proud, což jej činí méně zajímavým pro použití s ​​nízkým výkonem, což je jedna z hlavních nevýhod MRAM. Navíc, když je zařízení zmenšeno, nastává čas, kdy se indukované pole překrývá sousední buňky na malé ploše, což vede k potenciálnímu falešnému zápisu. Zdá se, že tento problém, problém s polovičním výběrem (nebo rušením zápisu), nastavuje pro tento typ buňky poměrně velkou minimální velikost. Jedním z experimentálních řešení tohoto problému bylo použití kruhových domén psaných a čtených pomocí obřího magnetorezistivního efektu , ale zdá se, že tato linie výzkumu již není aktivní.

Novější technika, spin-přenos točivého momentu (STT) nebo spin-transfer přepínání , využívá spinově zarovnané („polarizované“) elektrony k přímému utahování domén. Konkrétně, pokud elektrony proudící do vrstvy musí změnit svůj spin, vyvine se točivý moment, který bude přenesen do blízké vrstvy. Tím se snižuje množství proudu potřebného k zápisu buněk, což je přibližně stejné jako při čtení. Existují obavy, že „klasický“ typ buňky MRAM bude mít při vysokých hustotách potíže kvůli množství proudu potřebného při zápisu, což je problém, kterému se STT vyhýbá. Z tohoto důvodu zastánci STT očekávají, že tato technika bude použita pro zařízení 65 nm a menší. Stinnou stránkou je potřeba zachovat soudržnost spinu. Celkově STT vyžaduje mnohem menší zapisovací proud než konvenční nebo přepínací MRAM. Výzkum v této oblasti naznačuje, že proud STT lze snížit až 50krát pomocí nové kompozitní struktury. Vyšší rychlost však stále vyžaduje vyšší proud.

Mezi další potenciální uspořádání patří „vertikální transportní MRAM“ (VMRAM), který ke změně magnetické orientace využívá proud skrz vertikální sloupec, geometrické uspořádání, které snižuje problém s rušením zápisu, a tak může být použito při vyšší hustotě.

Přehledový článek poskytuje podrobnosti o materiálech a problémech spojených s MRAM v kolmé geometrii. Autoři popisují nový termín nazvaný "Pentalemma", který představuje konflikt v pěti různých požadavcích, jako je proud zápisu, stabilita bitů, čitelnost, rychlost čtení/zápisu a integrace procesu s CMOS. Diskutuje se výběr materiálů a návrh MRAM pro splnění těchto požadavků.

Srovnání s jinými systémy

Hustota

Hlavním determinantem nákladů na paměťový systém je hustota komponent použitých k jeho vytvoření. Menší součásti a méně z nich znamená, že na jeden čip lze sbalit více „buněk“, což zase znamená, že z jedné křemíkové destičky lze vyrobit více najednou. To zlepšuje výnos, který přímo souvisí s náklady.

DRAM využívá malý kondenzátor jako paměťový prvek, vodiče pro přenos proudu do něj a z něj a tranzistor k jeho ovládání - označovaný jako článek „1T1C“. Díky tomu je DRAM RAM s nejvyšší hustotou, která je v současné době k dispozici, a tedy i nejméně nákladná, a proto se používá pro většinu paměti RAM, která se nachází v počítačích.

MRAM je fyzicky podobný DRAM v makeupu a často vyžaduje pro operaci zápisu tranzistor (i když to není nezbytně nutné). Škálování tranzistorů na vyšší hustotu nutně vede k nižšímu dostupnému proudu, což by mohlo omezit výkon MRAM v pokročilých uzlech.

Spotřeba energie

Protože kondenzátory používané v DRAM časem ztrácejí náboj, paměťové sestavy, které používají DRAM, musí několikrát za sekundu aktualizovat všechny buňky ve svých čipech, každou přečíst a přepsat její obsah. Protože se velikost buněk DRAM zmenšuje, je nutné články obnovovat častěji, což má za následek vyšší spotřebu energie.

Naproti tomu MRAM nikdy nevyžaduje aktualizaci. To znamená, že si nejen uchovává paměť při vypnutém napájení, ale také nedochází k neustálému odběru energie. Zatímco proces čtení teoreticky vyžaduje více energie než stejný proces v DRAM, v praxi se rozdíl zdá být velmi blízký nule. Proces zápisu však vyžaduje více energie k překonání stávajícího pole uloženého na křižovatce, která se pohybuje od tří do osminásobku výkonu potřebného při čtení. Přestože přesné množství úspor energie závisí na povaze práce - častější psaní bude vyžadovat více energie - obecně zastánci MRAM očekávají mnohem nižší spotřebu energie (až o 99% méně) ve srovnání s DRAM. Moduly MRAM na bázi STT eliminují rozdíl mezi čtením a zápisem, což dále snižuje nároky na výkon.

Vyplatí se také porovnat MRAM s dalším běžným paměťovým systémem - flash RAM . Stejně jako MRAM, flash neztrácí paměť, když je odpojeno napájení, což je velmi běžné v aplikacích vyžadujících trvalé úložiště. Při použití pro čtení jsou flash a MRAM velmi podobné v požadavcích na výkon. Blesk se však přepisuje pomocí velkého pulsu napětí (asi 10 V), které se v průběhu času ukládá do nabíjecího čerpadla , které je náročné na energii i čas. Kromě toho aktuální puls fyzicky degraduje buňky blesku, což znamená, že blesk lze zapsat pouze do určitého konečného počtu opakování, než je nutné jej vyměnit.

Naproti tomu MRAM vyžaduje jen o něco více energie pro zápis než čtení a žádná změna napětí, což eliminuje potřebu nabíjecího čerpadla. To vede k mnohem rychlejšímu provozu, nižší spotřebě energie a neomezeně dlouhé životnosti.

Uchování dat

MRAM je často nabízen jako energeticky nezávislá paměť. Současná hlavní vysokokapacitní paměť MRAM, točivá momentová paměť, poskytuje lepší retenci za cenu vyšší spotřeby energie, tj . Vyššího zapisovacího proudu. Zejména kritický (minimální) zapisovací proud je přímo úměrný součiniteli tepelné stability Δ. Retence je zase úměrná exp (Δ). Retence proto exponenciálně degraduje se sníženým zapisovacím proudem.

Rychlost

Výkon dynamické paměti s náhodným přístupem (DRAM) je omezen rychlostí, jakou lze náboj uložený v buňkách vybíjet (pro čtení) nebo ukládat (pro zápis). Provoz MRAM je založen spíše na měření napětí než na nábojích nebo proudech, takže je potřeba méně „doby usazení“. Výzkumníci IBM předvedli zařízení MRAM s přístupovými časy řádově 2 ns, o něco lepší než dokonce i nejpokročilejší DRAM postavené na mnohem novějších procesech. Tým z německého Physikalisch-Technische Bundesanstalt předvedl zařízení MRAM s dobou usazení 1 ns, lepší než v současné době přijímané teoretické limity pro DRAM, přestože demonstrace byla jedna buňka. Rozdíly ve srovnání s bleskem jsou mnohem výraznější, rychlost zápisu je až tisíckrát vyšší. Tato srovnání rychlosti však nejsou pro proud podobný jako pro. Paměť s vysokou hustotou vyžaduje malé tranzistory se sníženým proudem, zvláště pokud jsou konstruovány pro nízký únik v pohotovostním režimu. Za takových podmínek nemusí být časy zápisu kratší než 30 ns tak snadno dosažitelné. Zejména ke splnění stability přetavování pájky 260 ° C po dobu 90 sekund bylo zapotřebí 250 ns impulzů. To souvisí se zvýšeným požadavkem na tepelnou stabilitu, který zvyšuje chybovost bitů zápisu. Aby se zabránilo poruše vyššího proudu, jsou zapotřebí delší impulsy.

Pro kolmý STT MRAM je spínací čas do značné míry určen tepelnou stabilitou Δ a zapisovacím proudem. Větší Δ (lepší pro uchovávání dat) by vyžadovalo větší zapisovací proud nebo delší puls. Kombinace vysoké rychlosti a adekvátního uchování je možná pouze s dostatečně vysokým zapisovacím proudem.

Jedinou současnou paměťovou technologií, která svým výkonem při srovnatelné hustotě snadno konkuruje MRAM, je statická paměť s náhodným přístupem (SRAM). SRAM se skládá ze série tranzistorů uspořádaných v klopném obvodu , který bude udržovat jeden ze dvou stavů, dokud bude aplikováno napájení. Vzhledem k tomu, že tranzistory mají velmi nízkou spotřebu energie, je jejich doba sepnutí velmi nízká. Protože však buňka SRAM sestává z několika tranzistorů, obvykle čtyř nebo šesti, je její hustota mnohem nižší než u DRAM. Díky tomu je drahý, a proto se používá pouze pro malé množství vysoce výkonné paměti, zejména pro mezipaměť CPU téměř ve všech moderních návrzích centrálních procesorových jednotek .

Přestože MRAM není tak rychlý jako SRAM, je dostatečně blízko, aby byl zajímavý i v této roli. Vzhledem k jeho mnohem vyšší hustotě může být návrhář CPU nakloněn používání MRAM, aby nabídl mnohem větší, ale poněkud pomalejší mezipaměť než menší, ale rychlejší. Jak se tento kompromis v budoucnu projeví, se teprve uvidí.

Vytrvalost

Výdrž MRAM je ovlivněna proudem zápisu, stejně jako retencí a rychlostí, stejně jako proudem čtení. Když je zapisovací proud dostatečně velký na rychlost a retenci, je třeba vzít v úvahu pravděpodobnost poruchy MTJ. Pokud poměr čtecího proudu/zapisovacího proudu není dostatečně malý, narušení čtení je pravděpodobnější, tj. Během jednoho z mnoha spínacích cyklů dojde k chybě čtení. Četnost chybových poruch čtení je dána 1-exp (-(t čtení /τ) /exp (Δ (1- ( čtu /I krit )))), kde τ je relaxační čas (1 ns) a já krit je kritický zapisovací proud. Vyšší výdrž vyžaduje dostatečně nízké čtení / kritiku . Nižší čtení však také snižuje rychlost čtení.

Celkově

MRAM má podobný výkon jako SRAM, což umožňuje použití dostatečného zapisovacího proudu. Tato závislost na zapisovacím proudu však také dělá výzvu soutěžit s vyšší hustotou srovnatelnou s běžným DRAM a Flash. Přesto existují určité příležitosti pro MRAM, kde hustotu není třeba maximalizovat. Ze základního fyzikálního hlediska je přístup k točivému momentu při MRAM vázán na „obdélník smrti“ tvořený požadavky na udržení, vytrvalost, rychlost a výkon, jak je uvedeno výše.

Úroveň návrhových parametrů Uchování Vytrvalost Rychlost Napájení
Vysoký zapisovací proud + - (členění) + -
Nízký zapisovací proud - - (porucha čtení) - +
Vysoká Δ + - (členění) - - (vyšší proud)
Nízká Δ - - (porucha čtení) + + (nižší proud)

Zatímco kompromis mezi rychlostí a rychlostí je pro elektronická zařízení univerzální, kompromis mezi vytrvalostí a retencí při vysokém proudu a degradace obou při nízkém Δ je problematický. Výdrž je do značné míry omezena na 10 8 cyklů.

Alternativy k MRAM

Omezené cykly zápisu Flash a EEPROM jsou vážným problémem pro jakoukoli skutečnou roli podobnou RAM. Vysoký výkon potřebný k zápisu buněk je navíc problém v uzlech s nízkým výkonem, kde se často používá energeticky nezávislá RAM. Napájení také potřebuje čas, aby se „vybudovalo“ v zařízení známém jako nabíjecí pumpa , díky čemuž je psaní dramaticky pomalejší než čtení, často až o 1/1 000 rychleji. Zatímco MRAM byl určitě navržen tak, aby řešil některé z těchto problémů, řada dalších nových paměťových zařízení je ve výrobě nebo byla navržena k řešení těchto nedostatků.

K dnešnímu dni je jediným podobným systémem, který vstupuje do rozšířené výroby, feroelektrická RAM nebo F-RAM (někdy označovaná jako FeRAM).

Obnovený zájem zaznamenává také paměť oxid křemičitý-nitrid-oxid-křemík ( SONOS ) a ReRAM . 3D XPoint byl také ve vývoji, ale je známo, že má vyšší energetický rozpočet než DRAM.

Dějiny

První 200mm 1 Mb MRAM oplatka, vyrobená společností Motorola , 2001
  • 1955 - Paměť magnetického jádra měla stejný princip zápisu čtení jako MRAM
  • 1984 - Arthur V. Pohm a James M. Daughton při práci pro Honeywell vyvinuli první paměťová zařízení s magnetorezistencí.
  • 1984 - objeven efekt GMR
  • 1988-Evropští vědci ( Albert Fert a Peter Grünberg ) objevili „ obrovský magnetorezistivní efekt “ v tenkovrstvých strukturách.
  • 1989 - Pohm a Daughton opustili Honeywell a založili společnost Nonvolatile Electronics, Inc. (později přejmenovanou na NVE Corp.) sublicencováním technologie MRAM, kterou vytvořili.
  • 1995 - Motorola (později Freescale Semiconductor a následně NXP Semiconductors ) zahajuje práci na vývoji MRAM
  • 1996 - Je navržen přenos točivého momentu
  • 1998 - Motorola vyvíjí  testovací čip MRAM 256 kB.
  • 2000 - IBM a Infineon založily společný vývojový program MRAM.
  • 2000 - První patent Spintec pro přenos točivého momentu laboratoře .
  • 2002
    • NVE oznamuje výměnu technologií s Cypress Semiconductor.
    • Přepnout patent udělený společnosti Motorola
  • 2003 - Byl představen 128 kbitový čip MRAM, vyráběný litografickým procesem o vlnové délce 180 nm
  • 2004
    • Červen- Infineon představil prototyp 16 Mbit, vyrobený litografickým procesem o vlnové délce 180 nm
    • Září - MRAM se stává standardní nabídkou produktů ve Freescale.
    • Říjen - Tchaj -wanští vývojáři MRAM nahrávají 1 Mbit části na TSMC .
    • Říjen - Micron upouští MRAM, mumlá další vzpomínky.
    • Prosinec - TSMC, NEC a Toshiba popisují nové buňky MRAM.
    • Prosinec- Renesas Technology propaguje vysoce výkonnou a spolehlivou technologii MRAM.
    • První pozorování laboratoře Spintech o termálním asistovaném přepínání (TAS) jako přístupu MRAM.
    • Crocus Technology je založena; společnost je vývojářem druhé generace MRAM
  • 2005
    • Leden - Cypress Semiconductor vzorkuje MRAM pomocí NVE IP.
    • Březen - Cypress prodá dceřinou společnost MRAM.
    • Červen-Honeywell zveřejňuje datový list pro 1-Mbit rad-hard MRAM pomocí 150 nm litografického procesu
    • Srpen - Záznam MRAM: paměťová buňka běží na 2 GHz.
    • Listopad - Renesas Technology a Grandis spolupracují na vývoji 65 nm MRAM využívající přenos točivého momentu (STT).
    • Listopad-NVE dostává grant SBIR na výzkum kryptografické paměti reagující na zásah.
    • Prosinec- Společnost Sony oznámila první laboratorně vyráběný spin-točivý moment MRAM, který k zápisu dat využívá spinově polarizovaný proud tunelovou magnetorezistenční vrstvou. Tato metoda spotřebovává méně energie a je škálovatelnější než konvenční MRAM. S dalším pokrokem v materiálech by tento proces měl umožnit vyšší hustoty, než jaké jsou možné v DRAM.
    • Prosinec - Freescale Semiconductor Inc. předvádí MRAM, který používá spíše oxid hořečnatý než oxid hlinitý, což umožňuje tenčí izolační bariéru tunelu a lepší bitový odpor během cyklu zápisu, čímž se snižuje požadovaný zapisovací proud.
    • Laboratoř Spintec uděluje společnosti Crocus Technology exkluzivní licenci na její patenty.
  • 2006
    • Únor- Toshiba a NEC oznámily 16 Mbit čip MRAM s novým designem „power-forking“. Dosahuje přenosové rychlosti 200 Mbit/s s dobou cyklu 34 ns, což je nejlepší výkon ze všech čipů MRAM. Může se také pochlubit nejmenší fyzickou velikostí ve své třídě - 78,5 milimetrů čtverečních - a požadavkem na nízké napětí 1,8 voltu.
    • Červenec-10. července začíná Austin Texas-Freescale Semiconductor uvádět na trh 4-Mbit MRAM čip, který se prodává za přibližně 25,00 $ za čip.
  • 2007
    • R&D moving to spin přenos točivého momentu RAM (SPRAM)
    • Únor-Univerzita Tohoku a Hitachi vyvinuly prototyp 2-Mbitové energeticky nezávislé paměti RAM využívající přepínání točivého momentu.
    • Srpen - „IBM, TDK Partner In Magnetic Memory Research on Spin Transfer Torque Switching“ IBM a TDK za účelem snížení nákladů a zvýšení výkonu MRAM, doufejme, že uvolní produkt na trh.
    • Listopad - Toshiba aplikovala a prokázala přepínání točivého momentu s kolmým magnetickým anizotropním zařízením MTJ.
    • Listopad-NEC vyvíjí nejrychlejší MRAM kompatibilní se SRAM na světě s provozní rychlostí 250 MHz.
  • 2008
    • Japonský satelit, SpriteSat, bude používat Freescale MRAM k nahrazení komponent SRAM a FLASH
    • Červen- Samsung a Hynix se staly partnerem STT-MRAM
    • Červen - Freescale otáčí operace MRAM jako nová společnost Everspin
    • Srpen-Vědci v Německu vyvinuli MRAM příští generace, které údajně funguje tak rychle, jak to dovolují základní výkonnostní limity, s cykly zápisu pod 1 nanosekundu.
    • Listopad - Everspin oznamuje balíčky BGA , rodinu produktů od 256 kB do 4 MB
  • 2009
    • Červen-Hitachi a Tohoku University předvedly 32Mbitový točivý moment RAM (SPRAM).
    • Červen - Crocus Technology a Tower Semiconductor oznámily dohodu o přenesení technologie procesu MRAM do Crocus do výrobního prostředí společnosti Tower
    • Listopad - Everspin uvádí na trh rodinu produktů SPI MRAM a dodává první vložené vzorky MRAM
  • 2010
    • Duben - Everspin uvolňuje hustotu 16 Mb
    • Červen-Hitachi a Tohoku Univ oznamují víceúrovňový SPRAM
  • 2011
    • Březen - PTB, Německo, oznamuje cyklus zápisu pod 500 ps (2 Gbit/s)
  • 2012
  • 2013
    • Listopad- Buffalo Technology a Everspin oznamují nový průmyslový SATA III SSD, který jako mezipaměť obsahuje Everspin's Spin-Torque MRAM (ST-MRAM).
  • 2014
    • Leden - Vědci oznámili schopnost ovládat magnetické vlastnosti antiferomagnetických nanočástic jádra/obalu pouhými změnami teploty a magnetického pole.
    • Říjen-Everspin spolupracuje s GlobalFoundries na výrobě ST-MRAM na 300 mm oplatkách.
  • 2016
    • Duben-Šéf polovodičů společnosti Samsung Kim Ki-nam říká, že Samsung vyvíjí technologii MRAM, která „bude brzy připravena“.
    • Červenec - IBM a Samsung hlásí zařízení MRAM schopné zmenšení na 11 nm se spínacím proudem 7,5 mikroampů při 10 ns.
    • Srpen-Everspin oznámil, že zákazníkům dodává vzorky první 256Mb ST-MRAM v oboru
    • Říjen- Avalanche Technology spolupracuje se společností Sony Semiconductor Manufacturing na výrobě STT-MRAM na 300 mm oplatkách na základě „různých výrobních uzlů“.
    • Prosinec- Inston a Toshiba nezávisle na mezinárodním setkání elektronových zařízení prezentují výsledky týkající se napěťově řízeného MRAM
  • 2019
    • Leden-Everspin zahajuje přepravu vzorků 28 nm 1Gb čipů STT-MRAM
    • Březen-Samsung zahájil komerční produkci své první vestavěné STT-MRAM založené na 28 nm procesu.
    • Květen - Avalanche spolupracuje s United Microelectronics Corporation na společném vývoji a výrobě vestavěné MRAM na základě jejího 28 nm CMOS výrobního procesu.
  • 2020
    • Prosinec - IBM oznámila 14nm uzel MRAM
  • 2021
    • Květen - TSMC odhalilo plán vývoje technologie eMRAM na uzlu 12/14 nm jako nabídku nahradit eFLASH.

Aplikace

Možné praktické použití MRAM zahrnuje prakticky každé zařízení, které má uvnitř nějaký typ paměti, jako jsou letecké a vojenské systémy, digitální fotoaparáty , notebooky , čipové karty , mobilní telefony , mobilní základnové stanice, osobní počítače , výměna SRAM zálohovaná baterií , záznam dat speciální paměti ( řešení černé skříňky ), přehrávače médií a čtečky knih atd.

Viz také

Reference

externí odkazy