A Magnetoresistive véletlen hozzáférésű memória (MRAM - eng. magnetoresistive random-access memory ) egy spinszelepeken alapuló véletlen hozzáférésű tárolóeszköz . Az információkat elektromos töltések helyett mágneses momentumok segítségével tárolja .
Az ilyen típusú memória előnye a nem- volatilitás , azaz a rögzített információk (például a rendszerben lévő feladatok programkörnyezete és a teljes rendszer állapota) megtartása külső áramforrás hiányában.
A magnetorezisztív memóriatechnológia az 1990-es évek óta fejlesztés alatt áll. Összehasonlítva más típusú számítógépes memória, különösen a flash memória és a DRAM memória növekvő gyártásával , még nem elérhető széles körben a piacon. Támogatói azonban úgy vélik, hogy számos előnye miatt más típusú számítógépes memóriákat is helyettesíthet, és valóban "univerzális" alapjává válhat a tárolóeszközök számára. A magnetorezisztív memória modern változatai jelenleg az STT-MRAM ( spin-transfer torque MRAM , adatrögzítés spin momentum átvitellel) [1] és ígéretes SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM, adatrögzítés spin-orbit forgási nyomaték segítségével ) [ 1]. 2] [3] .
2013 óta Oroszországban mikrochipek és beágyazott MRAM memóriacellák tömeggyártása folyik Moszkvában, a Crocus Nanoelectronics üzemében. [négy]
Más típusú tárolóeszközökkel ellentétben a magnetorezisztív memóriában lévő információk nem elektromos töltések vagy áramok formájában, hanem mágneses memóriaelemekben tárolódnak. A mágneses elemek két ferromágneses rétegből állnak, amelyeket egy vékony dielektromos réteg választ el egymástól . Az egyik réteg egy állandó mágnes , amely meghatározott irányban mágnesezett, a másik réteg mágnesezettsége pedig külső tér hatására megváltozik. A memóriaeszköz egy memóriaelemet és egy tranzisztort tartalmazó különálló "cellákból" álló rács elvén van felszerelve.
Az információ leolvasása a cella elektromos ellenállásának mérésével történik. Egy egyedi cellát (általában) úgy választanak ki, hogy bekapcsolják a megfelelő tranzisztort , amely a tápegységből a memóriacellán keresztül áramot szolgáltat a chip közös földjéhez. Az alagút mágneses ellenállás hatása miatt a cella elektromos ellenállása a rétegekben lévő mágnesezettségek kölcsönös orientációjától függően változik. Az átfolyó áram nagyságával meghatározható az adott cella ellenállása, és ennek következtében az újraírható réteg polaritása. Jellemzően egy elem rétegeiben az azonos mágnesezettségi irányt "0"-nak, míg a rétegek ellentétes irányát, amelyet nagyobb ellenállás jellemez, "1"-nek kell értelmezni.
Az információkat különféle módszerekkel írhatjuk a cellákba. A legegyszerűbb esetben minden cella két, egymásra merőlegesen elhelyezett adatsor között helyezkedik el, az egyik a cella felett és egy alatta. Amikor áram halad át rajtuk, az írási vonalak metszéspontjában mágneses mező keletkezik , amely hatással van az újraírható rétegre. Ugyanezt a rögzítési módszert alkalmazták a mágneses magmemóriában is, amelyet az 1960-as években alkalmaztak. Ez a módszer meglehetősen nagy áramot igényel a mező létrehozásához, és emiatt nem nagyon alkalmasak olyan hordozható eszközökhöz, ahol az alacsony fogyasztás fontos, ez az MRAM egyik fő hátránya. Ezenkívül a chipek méretének csökkenésével eljön az az idő, amikor az indukált mező egy kis területen átfedi a szomszédos cellákat, ami lehetséges írási hibákhoz vezethet. Emiatt az ilyen típusú MRAM memóriákban kellően nagy méretű cellákat kell használni. Az egyik kísérleti megoldás erre a problémára az óriás reluktancia effektus által olvasott és írt körkörös tartományok használata volt , de ez irányú kutatás már nem folyik.
Egy másik megközelítés - módváltás - többlépcsős rögzítést alkalmaz egy módosított többrétegű cellával. A cellát úgy módosították, hogy mesterséges antiferromágnest tartalmazzon, ahol a mágneses orientáció előre-hátra váltakozik a felületen, és mindkét (csatlakozott és szabad) réteg többrétegű kötegekből áll, amelyeket vékony "kötőréteg" választ el. Az így létrejövő rétegeknek csak két stabil állapotuk van, amelyek a két vonalon lévő írási áram időzítésével egyikből a másikba kapcsolhatók, így az egyik kicsit késik, így "forgatja" a mezőt. A teljes írási szintnél kisebb feszültség valójában növeli a kapcsolási ellenállását. Ez azt jelenti, hogy az egyik rögzítési vonal mentén elhelyezkedő cellák nem lesznek kitéve a nem szándékos mágnesezettség megfordításának, ami lehetővé teszi kisebb cellaméretek használatát.
A spin-nyomatékátvitel (spin-torque-transfer-STT) vagy a spin-transzfer kapcsolás új technológiája adott spin állapotú ("polarizált") elektronokat használ. Egy szabad ferromágneses rétegen áthaladva forgatónyomatékuk ennek a rétegnek a mágnesezettségébe kerül, és átirányítja azt. Ez csökkenti az információ memóriacellába írásához szükséges áramerősséget, és az olvasási és írási fogyasztás megközelítőleg azonos lesz. Az STT technológiának meg kell oldania azokat a problémákat, amelyekkel a "klasszikus" MRAM technológia a memóriacella-sűrűség növekedésével és a rögzítéshez szükséges áram ennek megfelelő növekedésével szembesül. Ezért az STT technológia releváns lesz 65 nm-es vagy annál kisebb folyamat alkalmazásakor. A hátránya az, hogy az STT-nek jelenleg több áramra van szüksége a tranzisztor váltáshoz, mint a hagyományos MRAM-nak, ami azt jelenti, hogy nagy tranzisztorra van szükség, és meg kell őrizni a forgási koherenciát . Általában ennek ellenére az STT sokkal kevesebb írási áramot igényel, mint a hagyományos vagy kapcsoló MRAM.
A magnetorezisztív memóriatechnológia fejlesztésének további lehetséges módjai a termikus kapcsolási technológia (TAS-Thermal Assisted Switching), amelyben az írási folyamat során a mágneses alagút csomópont gyorsan felmelegszik (mint a PRAM), és a fennmaradó időben alacsonyabb hőmérsékleten stabil marad. valamint a vertikális transzport technológia (VMRAM-vertikális transport MRAM), amelyben a függőleges oszlopokon áthaladó áram megváltoztatja a mágneses orientációt, és a memóriacellák ilyen geometriai elrendezése csökkenti a véletlenszerű mágnesezettség megfordításának problémáját, és ennek megfelelően növelheti a lehetséges sejtsűrűség.
A memóriachipek előállítási költsége elsősorban az egyes cellák elhelyezésének sűrűségétől függ. Minél kisebb egy cella mérete, annál több helyezhető belőlük egy lapkára, és ennek megfelelően egy szilícium ostyából egyszerre nagyobb számú chip állítható elő. Ez javítja a jó termékek hozamát és csökkenti a mikroáramkörök gyártási költségeit.
A DRAM memóriában a kondenzátorokat memóriaelemként használják , a vezetők áramot vezetnek belőlük és onnan, a vezérlőtranzisztorok pedig „1T / 1C” típusú cellák. A kondenzátor két vékony dielektromos réteggel elválasztott kis fémlemezből áll, olyan kicsire készíthető, amennyire a technológiai folyamat jelenlegi fejlettsége lehetővé teszi. A DRAM memória rendelkezik a legmagasabb cellasűrűséggel a jelenleg elérhető memóriatípusok közül, például az SRAM -hoz képest . A legtöbb modern DRAM memóriachip cellamérete 32 x 20 nm. Ez a legolcsóbb, ezért a számítógépek fő RAM-jaként használják.
Az MRAM memóriacella felépítésében hasonló a DRAM cellához, bár néha nem használ tranzisztort az információk írásához. Az MRAM elemek lineáris méreteinek csökkenésével azonban lehetőség nyílik a szomszédos cellák külső mágneses térrel való átfedésére és hamis adatrögzítésre (a félkiválasztás vagy a rögzítési hibák hatása). Ennek az akadálynak köszönhetően a cella mérete a hagyományos MRAM technológiában alulról 180 nm-re korlátozódik [5] . Üzemmódkapcsolós MRAM technológia alkalmazásával sokkal kisebb cellaméret érhető el, mielőtt a félszelekciós hatás problémát okozna, 90 nm körül [6] . Ezek elég jó jellemzők ahhoz, hogy bevezessék a gyártásba, és van kilátás a 65 nm-es vagy annál kisebb magnetorezisztív memória elérésére.
Csak egyetlen modern memóriatechnológia versenyezhet sebességben a magnetorezisztív memóriával. Ez statikus memória vagy SRAM . Az SRAM memóriacellák flip- flopok , amelyek két állapot egyikét tárolják mindaddig, amíg az energiát szolgáltatják. Minden flip-flop több tranzisztorból áll. Mivel a tranzisztorok fogyasztása nagyon alacsony, kapcsolási idejük nagyon rövid. De mivel egy SRAM memóriacella több tranzisztorból áll – általában négyből vagy hatból –, területe nagyobb, mint a DRAM típusú memóriacelláké. Ez drágábbá teszi az SRAM-ot, ezért csak kis mennyiségben használják, különösen gyors memóriaként, például gyorsítótárként és processzorregiszterként a legtöbb modern központi feldolgozóegység modellben . Nem szabad megfeledkeznünk arról sem, hogy a processzorok még ma is több szintű gyorsítótárat készítenek, különböző sebességgel és mérettel.
Mivel a DRAM-chipekben használt kondenzátorok idővel veszítenek töltésükből, az ezeket használó memóriachipeknek rendszeresen frissíteniük kell az összes cella tartalmát, minden cellát beolvasva és felül kell írniuk. Ez állandó tápellátást igényel, így amint a számítógépet kikapcsolják, a DRAM memória elveszti az összes tárolt információt. Minél kisebb a memóriacella, annál több frissítési ciklusra van szükség, és ennek eredményeként nő az energiafogyasztás.
A DRAM-mal ellentétben az MRAM nem igényel folyamatos frissítést. Ez nem csak azt jelenti, hogy a memória a kikapcsoláskor megőrzi a ráírt információkat, hanem azt is, hogy olvasás vagy írás hiányában egyáltalán nem fogyaszt energiát. Bár az MRAM-nak elméletileg több energiát kellene fogyasztania, mint a DRAM-nak az információolvasás során, a gyakorlatban az olvasási energiafogyasztás közel azonos. Az írási folyamat azonban 3-8-szor több energiát igényel, mint az olvasás, ezt az energiát a mágneses tér megváltoztatására fordítják. Bár a megtakarított energia pontos mennyisége a munka jellegétől függ - a gyakoribb írások több energiát igényelnek - általában alacsonyabb energiafogyasztás várható (akár 99%-kal kevesebb) a DRAM -hoz képest . Az STT MRAM technológiával az írás és az olvasás energiafogyasztása körülbelül azonos, az általános energiafogyasztás pedig még alacsonyabb.
A magnetorezisztív memóriát összehasonlíthatjuk egy másik, versengő memóriatípussal, a flash memóriával . A magnetorezisztív memóriához hasonlóan a flash memória nem felejtő. A flash memória nem veszít el információkat, amikor a készüléket kikapcsolják, így nagyon kényelmes a merevlemezek cseréje hordozható eszközökben, például digitális lejátszókban vagy digitális fényképezőgépekben. Az információk olvasásakor a flash memória és az MRAM szinte megegyezik az energiafogyasztás tekintetében. Az információk flash memória chipekbe történő írásához azonban erős feszültségimpulzusra (körülbelül 10 V) van szükség, amely egy bizonyos idő után felhalmozódik, amikor a töltést szivattyúzzák - ez sok energiát és időt igényel. Ezenkívül az áramimpulzus fizikailag tönkreteszi a flash memória cellákat, és a flash memóriába csak korlátozott számú információ írható, mielőtt a memóriacella meghibásodik.
A flash memóriával ellentétben az MRAM chipek írása nem igényel több energiát, mint az olvasás. Ugyanakkor nem szükséges növelni a feszültséget, és nincs szükség töltésszivattyúzásra. Ez gyorsabb működést, alacsonyabb energiafogyasztást és élettartam-korlátozást eredményez. Várhatóan a flash memória lesz az első típusú memóriachip, amelyet végül MRAM vált fel.
A DRAM memória sebességét az korlátozza, hogy a cellákban tárolt töltés milyen sebességgel lemerülhet (olvasáshoz), illetve felhalmozódhat (íráshoz). Az MRAM működése feszültségmérésen alapul, ami előnyösebb, mint az árammal történő működés, mivel a tranziensek gyorsabbak. A belga IMEC intézet kutatói olyan SAT-MRAM eszközöket mutattak be, amelyek elérési ideje 0,2 ns (210 pikoszekundum) [7] , ami észrevehetően jobb, mint a legfejlettebb DRAM-ok és SRAM-ok. Az előnyök a Flash-memóriához képest jelentősebbek - az olvasási időtartamuk közel azonos, de az írási időtartam az MRAM-ban több tízezerszer kisebb.
A modern magnetorezisztív memória gyorsabb, mint az SRAM memória, ebben a minőségben elég érdekes. Sűrűsége nagyobb, és a CPU -tervezők a jövőben választhatnak nagyobb mennyiségű lassabb MRAM és kisebb mennyiségű gyorsabb SRAM között a gyorsítótár használatához.
A mágneses rezisztív memória az SRAM memóriához hasonló sebességgel rendelkezik , a cellasűrűsége megegyezik, de kevesebb az energiafogyasztása, mint a DRAM memóriáé , gyorsabb és nem szenved az idő múlásával romlást a flash memóriához képest . A tulajdonságok ezen kombinációja teszi az SRAM, DRAM, EEPROM és Flash helyettesítésére képes "univerzális memóriává". Ez magyarázza a fejlesztését célzó tanulmányok nagy számát.
Természetesen az MRAM jelenleg még nem áll készen a széles körű felhasználásra. A flash memóriák piacán tapasztalható hatalmas kereslet arra kényszeríti a gyártókat, hogy agresszíven új gyártási eljárásokat vezessenek be. A legújabb gyárak, például a Samsung 16 GB-os flash memória chipjei 50 nm -es eljárást alkalmaznak . A régebbi gyártósorok az előző generációs 90 nm-es folyamattechnológiával állítanak elő DDR2 DRAM memóriachipeket.
A mágneses ellenállású memória még mindig nagyrészt "fejlesztés alatt" van, és elavult gyártási eljárásokkal gyártják. Mivel a flash memória iránti kereslet jelenleg meghaladja a kínálatot, hosszú időnek kell eltelnie ahhoz, hogy egy vállalat úgy döntsön, hogy az egyik legkorszerűbb gyártóüzemet magnetorezisztív memóriachipek gyártására állítja át. De még ebben az esetben is a magnetorezisztív memória kialakítása jelenleg veszít a flash memóriával szemben a cellaméretet tekintve, még akkor is, ha ugyanazokat a technológiai folyamatokat használják.
Egy másik nagy sebességű memória, amely aktív fejlesztés alatt áll, az Antifuse ROM. Egyszer programozható lévén, csak változtathatatlan programokra és adatokra alkalmas, de sebességét tekintve az SRAM-hoz és MRAM-hoz hasonlóan az azonnali processzorfrekvencián is lehetővé teszi a működést. Az Antifuse ROM-ot aktívan implementálják a vezérlőkben és az FPGA-kban, ahol a szoftvertermék a hardver szerves részét képezi. Az antifuse ROM cellák potenciálisan kompaktabbak, technológiailag fejlettebbek és olcsóbbak, mint az MRAM cellák, de ezt a lehetőséget sem hozták nyilvánosságra, hasonlóan az MRAM-hoz. Tekintettel arra, hogy sok felhasználó gyakran használ flash meghajtókat például fényképek archiválására, amelyekhez a flash memóriát nem sok évre szánták a sok éves töltésmegőrzési problémák, azaz a flash memória ROM-ként való használata miatt, az Antifuse fogyasztói piacon. A ROM a CD-R egyfajta utódjaként számíthat az MRAM-mal való "piacmegosztásra".
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2016
2017
2018
2019
Az MRAM memóriát olyan eszközökben kell használni, mint: