Магниторезистивная память MRAM — быстродействующие ОЗУ и ПЗУ в одной микросхеме. Магниторезистивная оперативная память

План:

Введение

• 1 Описание
• 2 Сравнение с другими типами памяти
  • 2.1 Плотность размещения элементов в микросхеме
  • 2.2 Энергопотребление
  • 2.3 Быстродействие
  • 2.4 Общее сравнение
• 3 История
  • 3.1 Текущий статус
• 4 Применение

Введение

Магниторезистивная оперативная память (MRAM - англ. magnetoresistive random-access memory ) - это запоминающее устройство c 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.

Технология магниторезистивной памяти разрабатывается с 1990-х годов. В сравнении с растущим объемом производства других типов компьютерной памяти, особенно флэш-памятью и памятью типа DRAM, она пока широко не представлена на рынке. Однако её сторонники верят, что благодаря ряду преимуществ, она в конечном счёте заменит все типы компьютерной памяти, и станет по-настоящему «универсальной» компьютерной памятью.

Упрощенная структура ячейки MRAM памяти

1. Описание

В отличие от других типов запоминающих устройств, информация в магниторезистивной памяти хранится не в виде электрических зарядов или токов, а в магнитных элементах памяти. Магнитные элементы сформированы из двух ферромагнитных слоёв, разделенных тонким слоем диэлектрика. Один из слоёв представляет собой постоянный магнит, намагниченный в определённом направлении, а намагниченность другого слоя изменяется под действием внешнего поля. Устройство памяти организовано по принципу сетки, состоящей из отдельных «ячеек», содержащих элемент памяти и транзистор.

Считывание информации осуществляется измерением электрического сопротивления ячейки. Отдельная ячейка (обычно) выбирается подачей питания на соответствующий ей транзистор, который подаёт ток от источника питания через ячейку памяти на общую землю микросхемы. Вследствие эффекта туннельного магнитосопротивления, электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченностей в слоях. По величине протекающего тока, можно определить сопротивление данной ячейки, и как следствие, полярность перезаписываемого слоя. Обычно одинаковая ориентация намагниченности в слоях элемента интерпретируется как «0», в то время как противоположное направление намагниченности слоёв, характеризующееся более высоким сопротивлением - как «1».

Информацию можно записывать в ячейки, используя множество способов. В простейшем случае, каждая ячейка лежит между двумя линиями записи, размещёнными под прямым углом друг к другу, одна над, а другая под ячейкой. Когда ток проходит через них, в точке пересечения линий записи наводится магнитное поле, которое воздействует на перезаписываемый слой. Такой же способ записи использовался в памяти на магнитных сердечниках, которая использовалась в 1960х годах. Этот способ требует достаточно большого тока, необходимого для создания поля, и это делает их не очень подходящими для применения в портативных устройствах для которых важна малое потребление энергии, это один из основных недостатков MRAM. Кроме того, с уменьшением размера микросхем, придёт время, когда индуцированное поле перекроет соседние ячейки на маленькой площади, что приведёт к возможным ошибкам записи. Из-за этого в памяти MRAM данного типа необходимо использовать ячейки достаточно большого размера. Одним из экспериментальных решений этой проблемы было использование круглых доменов, читаемых и записываемых с помощью эффекта гигантского магнитного сопротивления, но исследования в этом направлении более не проводятся.

Другой подход, переключения режимов, использует многошаговую запись с модифицированной многослойной ячейкой. Ячейка модифицирована содержит в себе искусственный антиферромагнетик, где магнитная ориентация чередуется назад и вперёд через поверхность, с обоими прикреплённым и свободным слоями, составленными из многослойных стеков изолированных тонким «соединяющим слоем». Результирующие слои имеют только два стабильных состояния, которые могут быть переключены из одного в другое выбором времени тока записи в двух линиях так одна немного задерживается, таким образом «поворачивая» поле. Любое напряжение меньшее, чем полный уровень записи фактически увеличивает его сопротивление для переключения. Это значит, что ячейки расположенные вдоль одной из линий записи не будут подвержены эффекту непреднамеренного перемагничивания, позволяя использовать меньшие размеры ячеек.

Новая технология, переноса спинового момента (spin-torque-transfer-STT) или переключение с помощью переноса спина, использует электроны с заданным состоянием спина («поляризованные»), прямо вращая области. Особенно, если электроны текут внутрь слоя, должно измениться их вращение, это будет способствовать вращению, будет перенесено на ближайший слой. Это уменьшает величину тока, необходимую для записи информации в ячейку памяти, и потребление только при чтении и записи становится примерно одинаковым. Технология STT должна решить проблемы с которыми «классическая» технология MRAM будет сталкиваться при увеличении плотности размещения ячеек памяти и соответствующего увеличения тока необходимого для записи. Поэтому технология STT будет актуальна при использовании технологического процесса 65 нм и менее. Нижняя сторона такая, в настоящее время, STT необходимо переключать больше тока через управляющий транзистор, чем обычной MRAM, требующей больший транзистор, и необходимо поддерживать когерентность вращения. В целом, несмотря на это, STT требует намного меньшего тока записи, чем обычная или переключательная MRAM.

Другими возможными путями развития технологии магниторезистивной памяти являются технология термического переключения (TAS-Thermal Assisted Switching) при которой во время процесса записи магнитный туннельный переход быстро нагревается (подобно PRAM) и в остальное время остается стабильным при более низкой температуре, а также технология вертикального транспорта (VMRAM-vertical transport MRAM) в которой ток проходящий через вертикальный столбцы меняет магнитную ориентацию, и такое геометрическое расположение ячеек памяти уменьшает проблему случайного перемагничивания и соответственно может увеличить возможную плотность размещения ячеек.

2. Сравнение с другими типами памяти

2.1. Плотность размещения элементов в микросхеме

Главным фактором, от которого зависит себестоимость производства микросхем памяти, это плотность размещения в ней отдельных ячеек. Чем меньше размер одной ячейки, тем большее их количество может быть размещено на одной микросхеме, и соответственно большее число микросхем может быть произведено за один раз из одной кремниевой пластины. Это улучшает выход годных изделий, и снижает стоимость производства микросхем.

В памяти типа DRAM в качестве элементов памяти используются конденсаторы, проводники переносят ток к ним и от них, и управляющий транзистор - так называемая ячейка «1T/1C». Конденсатор представляет собой две маленькие металлические пластинки, разделённые тонким слоем диэлектрика, он может быть изготовлен таким маленьким, как это позволяет сделать текущее развитие технологического процесса. Память DRAM имеет наивысшую плотность ячеек из всех доступных на сегодняшний день типов памяти. Это делает её наиболее дешёвой, и она используется в качестве основной оперативной памяти компьютеров.

Своей конструкцией ячейка памяти MRAM похожа на ячейку DRAM, хотя иногда в ней не используется транзистор для записи информации. Однако как упоминалось выше, память MRAM испытывает проблему полувыбора, из-за которой размер ячейки при использовании обычной технологии MRAM ограничен размером 180 нм и более. Используя технологию MRAM с переключением режимов можно достичь гораздо меньшего размера ячейки до того как эффект полувыбора станет проблемой - по видимому около 90 нм. Большинство современных микросхем DRAM памяти имеют такой же размер ячейки. Хотя это достаточно хорошие характеристики для внедрения в производство, есть перспективы в достижении магниторезистивной памятью размеров 65 нм, аналогично самым передовым устройствам памяти, для этого требуются использовать технологию STT.

2.2. Энергопотребление

Так как конденсаторы, используемые в микросхемах DRAM, со временем теряют свой заряд, микросхемы памяти, использующие их, должны периодически обновлять содержимое всех ячеек, считывая каждую ячейку и перезаписывая её содержимое. Это требует наличия постоянного источника питания, поэтому, как только питание компьютера отключается, память типа DRAM теряет всю хранящуюся информацию. Чем меньше становятся размеры ячейки памяти, тем чаще необходимы циклы обновления, и в связи с этим потребление энергии увеличивается.

В отличие от DRAM, память MRAM не требует постоянного обновления. Это значит не только то, что память сохраняет записанную в нее информацию при отключенном питании, но и то что при отсутствии операций чтения или записи, энергия вообще не потребляется. Хотя теоретически при чтении информации память MRAM должна потреблять больше энергии, чем DRAM, на практике энергоёмкость чтения у них почти одинаковая. Тем не менее, процесс записи требует от трех до восьми раз больше энергии чем при чтении, эта энергия расходуется на изменение магнитного поля. Хотя точное количество энергии сберегаемой зависит от характера работы - более частая запись потребует больше энергии - в целом ожидается более низкое энергопотребление (до 99 % меньше) в сравнении с DRAM. При применении технологии STT MRAM потребление энергии при записи и чтении примерно одинаковое, и общее потребление энергии еще меньше.

Можно сравнить магниторезистивную память с еще одним конкурирующим типом памяти, с флэш-памятью. Как и магнито-резистивная память, флэш-память является энергонезависимой, она не теряет информацию при отключении питания, что делает её очень удобной для замены жёстких дисков в портативных устройствах, таких как MP3-плееры или цифровые камеры. При чтении информации, флэш-память и MRAM имеют схожее энергопотреблении. Однако для записи информации в микросхемах флэш-памяти, необходим мощный импульс напряжения (около 10 В), который накапливается определенное время в накачке заряда, для этого требуется много энергии и времени. Кроме этого импульс тока физически разрушает ячейки памяти, и информация в флэш-память может быть записана ограниченное число раз, прежде чем ячейка памяти выйдет из строя.

В отличие от флэш-памяти, микросхемам MRAM требуется энергии для записи ненамного больше, чем для чтения. Не надо увеличивать напряжение, не требуется накачка заряда. Это ведёт к более быстрым операциям, меньшему энергопотреблению, и к отсутствию ограниченого срока службы. Предполагается что, флэш-память будет первым типом микросхем памяти, который будет со временем заменён MRAM.

2.3. Быстродействие

Быстродействие памяти типа DRAM ограничено скоростью, с которой заряд, хранящийся в ячейках, может быть слит (для чтения) или накоплен (для записи). Работа MRAM основана на измерении напряжений, что предпочтительнее, чем работа с токами, так как требуется меньше времени на переходные процессы. Исследователи IBM продемонстрировали устройства MRAM с временем доступа порядка 2 нс, заметно лучше чем даже самые продвинутые DRAM построенные на самых новых технологических процессах. Преимущества по сравнению с Flash памятью более значительные, время чтения у них похожее, но время записи в тысячи раз меньше.

Только одна современная технология памяти может конкурировать в быстродействии с магниторезистивной памятью. Это статическая память или SRAM. Ячейками SRAM памяти являются триггеры, которые хранят одно из двух состояний так долго, как долго поступает энергия. Каждый триггер состоит из нескольких транзисторов. Так как транзисторы имеют очень низкое потребление энергии, их время переключения очень мало. Но поскольку ячейка памяти SRAM состоит из нескольких транзисторов, обычно четырёх или шести, её площадь больше, чем у ячейки памяти типа DRAM. Это делает память SRAM более дорогой, поэтому она используется только в малых объемах, в качестве особо быстродействующей памяти, например как кэш-память и регистры в большинстве современных моделей центральных процессоров.

Хотя магниторезистивная память не такая быстрая, как память типа SRAM, она достаточно интересна и в этом качестве. Она обладает более высокой плотностью, и разработчики центральных процессоров могли бы в будущем выбирать для использования в качестве кэш-памяти между большим объемом менее быстрой памяти MRAM и меньшим объемом более быстрой памяти типа SRAM. Остаётся увидеть, как она продаётся, как сыграет в будущем.

2.4. Общее сравнение

Магниторезистивная память имеет быстродействие, сравнимое с памятью типа SRAM, такую же плотность ячеек, но меньшее энергопотребление, чем у памяти типа DRAM, она более быстрая и не страдает деградацией по прошествии времени в сравнении с флэш-памятью. Это та комбинация свойств, которая может сделать её «универсальной памятью», способной заменить SRAM, DRAM и EEPROM и Flash. Этим объясняется большое количество направленных на её разработку исследований.

Конечно, на данный момент MRAM ещё не готова для широкого применения. Огромный спрос на рынке флэш-памяти вынуждает производителей к агрессивному внедрению новых технологических процессов. Самые последние фабрики, на которых например изготавливает микросхемы флэш-памяти ёмкостью 16 Гбайт фирма Samsung, используют 50 нм технологический процесс. На более старых технологических линиях изготавливаются микросхемы памяти DDR2 DRAM, для которых используется 90 нм технологический процесс предыдущего поколения.

Магниторезистивная память всё ещё в значительной степени находится «в разработке», и производится с помощью устарелых технологических процессов. Так как спрос на флэш-память в настоящее время превышает предложение, то еще не скоро появится компания, которая решится перевести одну из своих фабрик, с новейшим технологическим процессом на изготовление микросхем магниторезистивной памяти. Но и в этом случае, конструкция магниторезистивной памяти на сегодняшний момент проигрывает флэш-памяти по размерам ячейки, даже при использовании одинаковых технологических процессов.

3. История

• 1955 - изобретение памяти на магнитных сердечниках, использующей сходный с MRAM, способ чтения и записи информации.
• 1989 - учёные IBM сделали ряд ключевых открытий о «гигантском магниторезистивном эффекте» в тонкоплёночных структурах.
• 1995 - Motorola (в дальнейшем Freescale) начинает разработку MRAM.
• 2000 - IBM и Infeneon установили общую программу развития MRAM.
• 2002 - NVE объявляет о технологическом обмене с Cypress Semiconductor.
• 2003 - 128 кбит чип MRAM был представлен, изготовленный по 0,18 мкм технологии.

• Июнь - Infineon анонсирует 16-Мбит опытный образец, основанный на 0,18 мкм технологии.
• Сентябрь - MRAM становится стандартным продуктом в Freescale, которая начала испытывать MRAM.
• Октябрь - Тайваньские разработчики MRAM печатают 1 Мбит элементы на TSMC.
• Октябрь - Micron бросает MRAM, обдумывает другие памяти.
• Декабрь - TSMC, NEC, Toshiba описывают новые ячейки MRAM.
• Декабрь - Renesas Technology разрабатывают высокоскоростную, высоконадёжную технологию MRAM.

• Январь - Cypress испытывает MRAM, использует NVE IP.
• Март - Cypress продаёт дочернюю компанию MRAM.
• Июнь - Honeywell сообщает таблицу данных для 1-Мбит радиационно-устойчивой MRAM, используя 0,15 микрометров технологию.
• Август - рекорд MRAM: Ячейка памяти работает на 2 ГГц.
• Ноябрь - Renesas Technology и Grandis сотрудничают в Разработке 65 нм MRAM, применяя вращательно-крутящее перемещение.
• Декабрь - Sony представляет первую лабораторию производящую вращательно-крутящее-перемещение MRAM, которая использует вращательно-поляризованный ток через туннельный магниторезистивный слой, чтобы записать данные. Этот метод более энергоэффективен и более расширяем, чем обыкновенная MRAM. C дальнейшими преимуществами в материалах, этот процесс должен позволить плотности, большие, чем те, что возможны в DRAM.
• Декабрь - Freescale Semiconductor Inc. анонсирует MRAM, в которой вместо оксида алюминия используется оксид магния, позволяющий делать более тонкий изолирующий туннельный барьер и улучшенное битовое сопротивление в течение цикла записи, таким образом, уменьшая требуемый ток записи.

3.1. Текущий статус

• Февраль - Toshiba и NEC анонсировали 16 Мбит чип MRAM с новой «энерго-разветвляющейся» конструкцией. Они добились частоты перемещения в 200 МБ/с, с временем цикла 34 нс - лучшая производительность любого чипа MRAM. Они также гордятся наименьшим физическим размером в своём классе - 78,5 квадратных миллиметров - и низким требованием энергии 1,8 вольт.
• Июль - 10 Июля, Austin Texas - Freescale Semiconductor выводит на рынок 4-Mbit чипы MRAM, по цене приблизительно $25.00 за микросхему.

• Ноябрь - компания NEC разработала самую быструю в мире магниторезистивную SRAM-совместимую память, с рабочей частотой 250 МГц.

• В японском искусственном спутнике SpriteSat, была применена магниторезистивная память производства Freescale Semiconductor для замены компонентов SRAM и FLASH.
• Март - концерн Siemens выбрал в качестве энергонезависимой памяти для новых промышленных панелей оператора, микросхемы MRAM памяти емкостью 4 Mb, производства Everspin technologies.
• Июнь - Samsung и Hynix становятся партнерами по разработке STT-MRAM.
• Июнь - Freescale Semiconductor выделяет весь свой бизнес, связанный с магниторезистивной памятью, в отдельную компанию Everspin.

• Февраль - компании NEC и NEC Electronics заявили об успешной демонстрации работающей памяти магниторезисторного типа емкостью 32 Мбит.

• Апрель - компания Everspin представила первые в мире коммерчески доступные микросхемы MRAM ёмкостью 16 Mb.

4. Применение

Предполагается использовать память MRAM в таких устройствах как:

• Аэрокосмические и военные системы
• Цифровые фотоаппараты
• Ноутбуки
• Смарт карты
• Мобильные телефоны
• Сотовые базовые станции
• Персональные компьютеры
• Для замены SRAM с питанием от аккумуляторной батареи
• Специальные устройства для регистрации данных (чёрные ящики)

Нобелевская премия по физике этого года была присуждена двум ученым: Альберту Ферту и Питеру Грюнбергу с формулировкой «за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления ».

Рис.1 Альберт Ферт (р.1938) и Питер Грюнберг (р.1939) -
нобелевские лауреаты по физике 2007 года

Со времен открытия прошло почти 20 лет, и за это время приборы, основанные на гигантском магнитном сопротивлении (ГМС, или, как принято его называть в англоязычной литературе GMR) вошли в плоть и кровь современной цифровой цивилизации (головки считывания на ГМС используются в жестком диске каждого компьютера), а концепция спинового транспорта, спиновой инжекции, спиновых поляризаторов и анализаторов легли в основу понятийного аппарата нового направления науки и техники - спиновой электроники .

1. Эффект гигантского магнитосопротивления

Эффект гигантского магнитосопротивления, первоначально наблюдался в многослойных структурах, которые состоят из чередующихся магнитных и немагнитных проводящих слоев (см. рис. 2), например, (Co/Cu) n или (Fe/Cr) n . Такие структуры называют магнитными сверхрешетками. Толщины слоев, как правило, составляют доли-единицы нанометров. Эффект состоит в том, что сопротивление структуры, измеренное при токе, текущем в плоскости системы, зависит от взаимного направления намагниченности соседних магнитных слоев. Так, при параллельной намагниченности слоев сопротивление, как правило, низкое, а при антипараллельном - высокое. Относительное изменение сопротивления системы составляет от 5 до 50% в зависимости от материалов, количества слоев и температуры. Эта величина на порядок больше, чем у предшественника эффекта гигантского магнитосопротивления - эффекта анизотропного магнитосопротивления , чем и объясняется название первого.

Рис. 2. Магнитные сверхрешетки, на которых наблюдается эффект ГМС.

Схематично изображен транспорт электронов противоположных поляризаций в случае

а) параллельной и б) антипараллельной ориентаций намагниченностей магнитных слоев.

В нижних частях рисунков изображены эквивалентные электрические схемы,

соответствующие этим двум конфигурациям.

В основе эффекта ГМС лежат два важных явления. Первое состоит в том, что в ферромагнетике электроны с одним направлением спина (или одной спиновой поляризации , как принято говорить) рассеиваются гораздо сильнее, чем электроны противоположной поляризации (выделенное направление задает намагниченность образца). Второе явление состоит в том, что электроны, выходя из одного ферромагнитного слоя, попадают в другой, сохраняя свою поляризацию. Таким образом, в случае параллельной конфигурации слоев те из носителей, которые рассеваются меньше, проходят все структуру без рассеяния; а носители противоположной поляризации испытывают сильное рассеяние в каждом из магнитных слоев (см. рис. 2а). В случае же антипараллельной конфигурации системы (см. рис. 2б), носители обоих поляризаций испытывают сильное рассеяние в одних слоях и слабое в других. Сопротивление системы можно условно изобразить в виде двух соединенных параллельно наборов сопротивлений, соответствующих двум спиновым поляризациям; при этом каждое из сопротивлений в этих наборах соответствует большому или малому рассеянию носителей данной поляризации в конкретном магнитном слое. Такие схемы для параллельной и антипараллельной конфигураций слоев изображены внизу рисунков 2 а, б.

Для функционирования устройств на основе эффекта ГМС важной является возможность создания антипараллельной конфигурации слоев (см. рис. 2б). Такие конфигурации удается получать при нулевом поле благодаря наличию так называемого межслойного обменного взаимодействия. Оказывается, энергия E int . l . взаимодействия двух магнитных слоев с намагниченностями M 1 м M 2 , разделенных немагнитной прослойкой толщиной d s , имеет (в первом приближении) гейзенберговский вид:

. (1)

При этом коэффициент J 1 зависит от толщины немагнитной прослойки d s осциллирующим образом, так, что при одних значениях d s J 1 является положительной, а при других - отрицательной величиной. Соответственно, можно подобрать толщину немагнитных слоев так, чтобы энергетически выгодной была антипараллельная конфигурация слоев. Интересно, что именно исследованием межслойного взаимодействия в многослойных магнитных структурах занимались первоначально открыватели эффекта, прежде чем обнаружили новое необычное их свойство - гигантское магнитосопротивление.

Рис. 3. Схематичное изображение спинового вентиля. Нижний слой - слой антиферромагнетика.

В качестве элементов на основе эффекта ГМС как правило используется структура, получившая название спиновый вентиль (spin valve), см. рис. 3. В ней один магнитных из слоев (например, Co или Co 90 Fe 10) напылен на слой антиферромагнетика (напр., Mn 76 Ir 24 или Mn 50 Pt 50 ). Благодаря обменному взаимодействию между электронами ферромагнетика и антиферромагнетика спины в этих двух слоях становятся жестко связанными между собой. Поскольку внешнее магнитное поле не очень большой величины не оказывает влияния на антиферромагнетик, то намагниченность магнитного слоя оказывается закрепленной (это явление получило название однонаправленной или обменной анизотропии .

Такой слой, намагниченность которого в некотором интервале полей может считаться неизменной, называют закрепленным или фиксированным. Второй же магнитный слой (часто Co, или Co 90 Fe 10 , или двухслойный Ni 80 Fe 20 /Co или Ni 80 Fe 20 /Co 90 Fe 10 ,) может быть свободно перемагничен внешним полем, поэтому его называют свободным. Промежуточный слой немагнитного металла, как правило, представлен Cu. Такая структура получила название спинового переключателя или спинового вентиля (spin-valve). Сопротивление спинового вентиля R может быть с хорошей точностью описано с помощью формулы:

Здесь R 0 - сопротивление структуры при параллельной намагниченности слоев, дельта R gmr - инкремент сопротивления, обусловленный эффектом ГМС, и Q - угол между намагниченностями магнитных слоев (принимает значения между p и -p ). Типичные значения R составляют десятки Ом, а для используемых в индустрии спиновых вентилей составляет 6-10% .

Эффект ГМС был обнаружен при измерении сопротивления магнитных сверхрешеток по току, текущему в плоскости системы. В 1991 году изменение сопротивления магнитных металлических сверхрешеток при изменении взаимной ориентации магнитных слоев было обнаружено для тока, текущего перпендикулярно плоскости слоев. Эти две геометрии измерения сопротивления многослойных магнитных структур обозначаются ставшими уже стандартными аббревиатурами CIP (current-in-plane) и CPP (current-perpendicular-to-plane) соответственно. Механизмы эффектов ГМС в CPP и в CIP геометриях в основных чертах схожи ; при этом значения магнититосопротивления, полученные для первого эффекта, примерно в два раза больше, чем для второго. Однако абсолютное сопротивление металлических сверхрешеток, полная толщина которых составляет порядка десятков нанометров, при измерении в CPP геометрии очень мало и его довольно трудно измерить. Поэтому для практических применений эффект ГМС в CPP геометрии гораздо менее привлекателен.

Следующий прорыв в области эффектов магнитосопротивления обусловлен обнаружением эффекта туннельного магнитосопротивления (ТМС) . Он имеет место в СРР системах, в которых место проводящей немагнитной прослойки занимает тонкий (1-2 нм) слой изолятора. Сопротивление такой структуры, измеренное в CPP-геометрии, сильно зависит от относительного направления намагниченности слоев благодаря различным вероятностям прохождения носителей с противоположными ориентациями спина через туннельный барьер. Оказалось, что для весьма распространенного аморфного изолирующего слоя Al 2 O 3 относительное изменение сопротивление достигает 70% при комнатной температуре (КТ). Ещё более перспективным является барьер в виде монокристаллического слоя MgO, который позволяет достичь значений до 500% при комнатной температуре .

2. Приложения ГМС в индустрии памяти

В настоящее время эффекты магнитосопротивления уже получили широкое коммерческое применение. Наиболее часто эти эффекты используются для создания магниточувствительных элементов датчиков различного назначения. Так, уже более 10 лет магниточувствительные элементы на основе магниторезистивных наноструктур используются в считывающих головках в жестких дисках. Кроме того, широким фронтом идут разработки новых видов памяти, основанных на магниторезистивных элементах; совсем недавно начались продажи одного из них - так называемой магнитной оперативной памяти MRAM. По целому ряду показателей последняя превосходит существующие в настоящее время полупроводниковые аналоги.

В данной секции рассказывается об этих двух ключевых приложениях: о строении считывающих головок в HDD и о магнитной памяти MRAM.

2.1. Считывающие головки для жестких дисков

Наибольший рост последние годы продемонстрировали продажи самых миниатюрных жестких дисков (предназначенных для портативных карт памяти, mp3-плееров, видеокамер, сотовых телефонов и др.) они заняли до 23% всего рынка жестких дисков (HDD - hard disc drivers); ожидается, что к 2009 году эта доля увеличится до 40%, обогнав сегмент HDD для настольных компьютеров. В результате, общие тенденции рынка ведут к потребности появления устройств со все большей плотностью записи информации. Так, последние десять лет плотность записи в коммерческих устройствах растет со скоростью от 50-100% в год . Поддержание столь активной тенденции к миниатюризации требует использования самых высоких инновационных технологий в области создания магнитных сред (для хранения информации), записывающих и считывающих головок, системной электроники.

С самого начала в жестких дисках (первые HDD появились в середине 1950-х годов) использовались индуктивные считывающие головки. Их в начале 1990-х сменили магниточувствительные датчики, схематичное устройство которых изображено на рисунке 4. Считывающая головка состоит из тонкопленочного магниторезистивного элемента, экранированного с двух сторон с помощью пленок мягкого магнитного материала. (Роль экранов заключается в том, чтобы по возможности уменьшить до нуля поле от дальних битов). Эта конструкция пролетает на расстоянии порядка десятков-единиц нанометров над поверхностью магнитной пленки, на которой в виде направления намагниченности в доменах, упорядоченных по размеру и расположению, записана информация. Домены противоположной полярности соответствуют битам «0» или «1». Поле от границы между противоположно намагниченными битами, над которой пролетает головка, перемагничивает магниторезистивный элемент. В результате сопротивление элемента меняется, что фиксируется электроникой и передается на шину данных. Данная конструкция в целом используется и в настоящее время.

Рис. 4. Схематичное изображение считывающей головки жесткого диска и принципа ее работы.

Постоянное увеличение плотности записи (соответственно, уменьшение размера одного бита), приводит к уменьшению магнитного потока, приходящегося на магниточувствительный элемент. Чтобы сохранить отношение сигнал/шум, требуется использование все более и более чувствительных головок.

Магниточувствительные элементы на эффекте анизотропного магнитосопротивления имели выход (отношение сопротивления головки при переходе от «0» к «1») порядка 2%, обладали простой конструкцией и позволили создавать HDD с плотностью записи до 1-5 Гбит/дюйм 2 . Дальнейшее повышение плотности записи потребовало введения считывающих элементов на основе эффекта ГМС. Они обладают гораздо более сложной конструкцией (магниточувствительный элемент содержит до 10 различных слоев), и, в различных модификациях, позволяют получить выход от 6 до 12% и плотность записи до 50 Гбит/дюйм 2 . Переход на считывающие головки, основанные на эффекте ГМС, был осуществлен практически всеми основными производителями жестких дисков с 1997 года . Следующее поколение головок основано на эффекте ТМС. Как ожидается, они позволяют получить выход более 200% и плотность записи до 1 Тбит/дюйм 2 . В настоящее время происходит переход производителей жестких дисков на этот тип считывающих головок .

2.2. Магнитная оперативная память MRAM

В компьютерах, контроллерах, мобильных устройствах используется одновременно несколько типов полупроводниковой памяти. Одни из них, например SRAM (static random access memory), являются очень быстрыми, они используются в качестве кэш-памяти в процессорах; однако они имеют сложную конструкцию и поэтому очень дорогие. Другие виды памяти, например, оперативная память DRAM (dynamicrandom access memory), являются более простыми и дешевыми, но и более медленными. Также, SRAM и DRAM не сохраняют свое состояние при отключении энергии. Память типа EEPROM (наиболее известная ее модификация - Flash-память), сохраняет свое состояние при отключении энергии, однако она является очень медленной и не может выполнять функции оперативной памяти даже в относительно несложных устройствах типа mp3-плееров или сотовых телефонов. Кроме того, Flash-память очень энергоемкая и обладает ограничением на количество циклов перезаписи (порядка 10 5 -10 6), при превышении которого она может выйти из строя.

В этом контексте особое внимание стало уделяться созданию универсальной памяти, которая смогла бы совместить в себе достоинства всех перечисленных видов памяти. Согласно сказанному выше, она должна обладать:

а) достаточно простой конструкцией,

б) высокой скоростью записи/считывания,

в) сохранять свое состояние при отключении энергии,

г) позволять производить большое количество циклов записи,

д) потреблять малое количество энергии.

В настоящее время наиболее вероятным кандидатом на роль такой универсальной памяти считается так называемая магнитная оперативная память MRAM (magnetic random access memory) . Схема работы MRAM изображена на рисунке 5. Ячейка памяти состоит из многослойного магниторезистивного элемента, основанного на эффекте ТМС. Свободный слой этого элемента содержит в себе информацию в виде направления намагниченности. Считывание производится путем измерения сопротивления R m данного элемента: при параллельной конфигурации свободного и фиксированного слоев оно будет малым, а при антипараллельной - большим. Этим двум значениям приписываются логические «0» и «1». Запись производится с помощью подачи на токовые шины 1 и 2 (которые по аналогии с полупроводниковыми видами памяти называют соответственно битовой и словарной) импульсов тока. При этом вокруг каждой из них возникает вихревое магнитное поле. Конфигурация элементов подбирается так, что для перемагничивания каждой ячейки необходимо действие поля от обеих токовых шин, а при воздействии поля только от одной из шин элемент сохраняет свое магнитное состояние (см. рис. 5б). В качестве свободного слоя используются, например, Fe или двойной слой CoFe/NiFe, в качестве фиксированного - CoFe на подложке из антиферромагнетика IrMn, в качестве туннельного контакта - оксид алюминия Al 2 O 3 или, обладающий лучшими параметрами ТМС, оксид марганца MnO.

Такая память обладает простой конструкцией (один магниторезистивный элемент и один транзистор на каждую ячейку), она естественным образом сохраняет свое состояние при отключении энергии. Кроме того, она позволяет производить практически бесконечное количество циклов перезаписи (10 16 и более), и, как показывают эксперименты, время цикла записи/считывания составляет для разных образцов десятки-единицы наносекунд (подобно памяти типа SRAM) .

Рис. 5. а) Схематичное изображение ячейки памяти MRAM. При записи в ячейку вокруг токовых шин

создается магнитное поле, которое перемагничивает данный элемент.

б) адресация ячейки при записи. Магнитное поле создается вокруг всей токовой шины,

однако перемагничивается только тот элемент, который расположен на пересечении двух токовых шин.

На пути воплощения идеи о MRAM как универсальной памяти возникает немало проблем, связанных, в основном, с механизмом записи информации: необходимость создания больших магнитных полей записи, относительно большая потребляемая мощность данного устройства (порядка 100 пВт на цикл записи), повышенные требования к надежности процесса переключения ячейки и др., но можно с уверенностью говорить, что рано или поздно они будут решены .

В заключение, стоит отметить следующее. Не секрет, что сейчас модный ярлычок «нано-» приклеивается сейчас повсеместно, но само по себе наличие структуры с характерным размером 1-100 нм и менее еще не является нанотехнологией в подлинном смысле, поскольку отражает лишь количественную, а не качественную сторону явлений. Так 45-нм технология освоенная микроэлектроникой является лишь очередным шагом на пути масштабирования, физические же принципы, лежащие в основе их действия, остаются неизменными. В то же время, эффект ГМС - это возникновение принципиально нового свойства у системы, структурированной на наномасштабе: толщины проводящих слоев должны быть меньше длины свободного пробега электрона (CIP геометрия) или длины релаксации спина (CPP геометрия), которые составляют единицы нанометров. В этом контексте становится ясной формулировка Шведской Академии Наук, присудивших Нобелевскую премию «за открытие эффекта гигантского магнитосопротивлени я» технологии, которая «может рассматриваться как первое по-настоящему эффективное приложение многообещающей области нанотехнологий ».

Магниторезистивная память MRAM - быстродействующие ОЗУ и ПЗУ в одной микросхеме

Михаил Соколов, инженер по применению, компания Freescale Semiconductor
Александр Гришин, инженер, МЭИ (ТУ)

Исследование магниторезистивных структур как энергонезависимых элементов для хранения информации началось еще в первой половине ХХ века. Но только летом 2006 г. была представлена первая в мире микросхема энергонезависимой памяти, использующая технологию MRAM.

В некоторых публикациях этот факт называют прорывом в области разработки памяти за последние 10 лет. Так ли это, и что из себя представляет магниторезистивная память - на эти вопросы отвечает данная статья. Также приводится подробное описание характеристик микросхемы MR2A16A - первого продукта в линейке памяти MRAM.

Технология MRAM - долгий путь к успеху

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.

Преимущества магниторезистивной памяти

Объем мирового рынка микросхем памяти, по некоторым оценкам, превышает 48 млрд. долл. США и продолжает расти. Чтобы выйти на рынок и не быть статистом во втором десятке производителей устройств памяти, необходимо предложить новый, уникальный продукт, сочетающий в себе преимущества всех распространенных технологий: энергонезависимое хранение данных практически неограниченное время без необходимости регенерации, скорость чтения/записи, сравнимую с лидирующей на сегодняшней день технологией SRAM, неограниченное число циклов стирания/записи данных, высокую масштабируемость и плотность ячеек для создания микросхем памяти различного объема. Задача на первый взгляд невыполнима, однако наиболее близко к ее решению подошла технология MRAM. Конечно, скорость чтения/записи еще не достигла долей наносекунд, пока не отработаны технологические процессы создания микросхем MRAM объемом сотни мегабит и в компактных корпусах, стоимость не всегда та, что хотелось бы. Но уже сейчас можно с достаточной уверенностью утверждать, что технология MRAM преодолеет эти недостатки и через несколько лет постепенно начнет отвоевывать значительную часть рынка у существующих технологий памяти. На чем основаны такие утверждения? Рассмотрим более подробно особенности памяти MRAM, отличающие ее от распространенных технологий (см. табл. 1).

Таблица 1. Сравнительные характеристики основных типов памяти

Энергонезависимая память EEPROM (ЭСППЗУ) на данный момент находится на последних стадиях своего жизненного цикла. Значительно более медленная скорость работы, а также ограниченное количество циклов перезаписи по сравнению с MRAM не позволяют использовать эту память в качестве оперативной. Она годится только для хранения кода программ либо данных, не требующих частого изменения либо обращения к ним.

Основным недостатком памяти типа Flash (флэш) является малое число циклов перезаписи. В зависимости от условий эксплуатации флэшпамять может быть перезаписана примерно 10 тыс. - 1 млн. раз прежде, чем битовая ячейка перестанет функционировать. В отличие от флэш-памяти, число циклов перезаписи памяти MRAM бесконечно благодаря принципиально другой технологии работы битовых ячеек. Здесь программирование происходит путем изменения полярности магнитных слоев, а данная операция не разрушает материал, из которого состоят ячейки памяти.

К другим недостаткам флэш-памяти стоит отнести низкую скорость записи, а также поблочный характер стирания/записи ячеек памяти. В MRAM можно выполнять любые операции над отдельными ячейками независимо. Кроме того, магниторезистивная память не требует предварительного стирания бита перед его перезаписью.

Динамическая память DRAM требует частой регенерации ячеек для сохранения данных, что приводит к повышенному потреблению электроэнергии и не позволяет использовать ее в качестве энергонезависимой памяти.

Статическая память SRAM не является энергонезависимой. К тому же, вследствие низкой плотности ячеек технология SRAM не позволяет создавать память значительного объема (десятки - сотни мегабит) в малом форм-факторе.

Статическую память с резервным батарейным питанием (Battery Backed SRAM) можно назвать универсальной памятью, но с существенными ограничениями. Встроенные батареи имеют ограниченный срок службы, лимитированную емкость вследствие компактных размеров батареи, а ее наличие в устройстве создает дополнительные проблемы при хранении, монтаже и эксплуатации памяти. Нельзя забывать и про сильную температурную зависимость характеристик батареи и дополнительные сложности при утилизации устройств.

Скорость записи/стирания памяти MRAM больше, чем у Battery Backed SRAM. Отсутствие батареи означает большую надежность и долговечность памяти MRAM, независимость ее рабочих характеристик от температуры во всем диапазоне, определенном производителем.

Энергонезависимая ферроэлектрическая память FRAM до недавнего времени наиболее полно соответствовала определению «универсальной памяти» из всех доступных на рынке серийно выпускаемых микросхем. Однако и у нее есть ряд недостатков, самый серьезный их которых заключается в большом размере ее ячеек. Благодаря усилиям разработчиков он постепенно приближается к физическому пределу, за которым дальнейшее уменьшение габаритов сопряжено с серьезными техническими и технологическими проблемами. Однако при этом ячейки остаются достаточно крупными, что не позволяет создавать микросхемы памяти большого объема с малыми габаритами. На сегодняшний день объем памяти микросхем FRAM составляет от единиц килобит до единиц мегабит. Производители предпринимают попытки создать память объемом десятки мегабит, однако серийное производство микросхем объемом 16, 32 либо 64 Мбит если и будет возможно, то не раньше чем через 3–5 лет.

Технология MRAM не накладывает ограничений на объем памяти. По сравнению с FRAM скорость чтения/ записи ячеек памяти MRAM ощутимо выше.

Модули памяти FRAM требуют повторной перезаписи данных в ячейки после считывания. Этот эффект связан с деградацией битовых ячеек памяти FRAM при операции чтения. Как следствие, это может привести к потере данных, если произойдет случайное отключение питания во время операции чтения, что для энергонезависимой памяти является очень существенным недостатком.

Структура и функционирование битовых ячеек MRAM

Первый коммерческий продукт, использующий технологию MRAM, микросхема MR2A16A состоит из массива ячеек памяти, каждая из которых содержит один транзистор и один магнитный туннельный переход (1T1MTJ). Магнитный туннельный переход (MTJ) является основой битовой ячейки MRAM. Он состоит из очень тонкого диэлектрического слоя оксида алюминия (AlOx), помещенного между двумя магнитными слоями. Каждый из магнитных слоев имеет свой вектор магнитного поля. Верхний магнитный слой называют свободным слоем, он может изменять вектор своего поля. Магнитный слой основания называют фиксированным слоем, вектор его магнитного поля заблокирован и не изменяется.

Направление вектора магнитного поля свободного слоя определяет состояние бита как логического нуля или единицы. Если векторы намагниченности свободного слоя и фиксированного слоя сориентированы в одном направлении, сопротивление структуры MTJ низкое (см. рисунок 1). Если векторы намагниченности свободного и фиксированного слоев развернуты на 180° относительно друг друга (противоположны), сопротивление структуры MTJ высокое. Величина сопротивления перехода MTJ определяет, будет ли прочитано содержимое ячейки как «0» или «1» при прохождении через ячейку тока чтения.

Рис. 1. Магнитные слои битовой ячейки 1Т1MTJ памяти MRAM для значений «0» и «1»

Во время операции установки бита магнитный вектор свободного слоя принимает одно из двух возможных состояний. Направление вектора поля задается с помощью внутренних медных проводников, расположенных в перпендикулярных направлениях относительно друг друга на вершине и в основании структуры MTJ. Импульсы тока, протекающего через перпендикулярно расположенные медные проводники, создают магнитное поле, которое изменяет намагниченность свободного слоя той битовой ячейки, которая находится в области перекрещивания проводников (см. рис. 2).

Рис. 2. Битовая ячейка 1T1MTJ: упрощенная структура, режимы чтения и записи

Такая трехслойная структура повышает скорость и стабильность операций стирания/записи, однако требует более высокого тока для выполнения этих операций, чем ячейки традиционной памяти. Однако на практике среднее потребление остается на том же уровне, так как при записи байта данных не все биты требуют изменения, если только мы не меняем значение байта с «FF» на «00» и обратно. Кроме того, процесс стирания/записи занимает крайне малое время порядка 25 нс. В результате по показателю потребления микросхема памяти типа MRAM выигрывает по сравнению с другими типами ПЗУ, которые, к тому же, существенно медленнее.

Микросхема памяти MR2A16A

Микросхема MR2A16A является первым продуктом от компании Freescale в линейке микросхем памяти MRAM. Модуль памяти MR2A16A изготовлен по технологии 0,18 мкм и является уже вторым поколением устройств на базе данной технологии. Емкость микросхемы составляет 4 Мбит с организацией 256К х 16 бит. Управление осуществляется по стандартным входам: chip enable, write enable, output enable и upper/lower byte select, обеспечивающим гибкость системы и предотвращающим конфликтные ситуации при обращении к шине (см. табл. 2). В зависимости от состояния управляющих входов данные могут быть записаны/считаны как в 8-битном, так и в 16-битном формате. Устройство также поддерживает полностью статические операции. Внутренняя структура микросхемы памяти представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Блок-схема микросхемы MR2A16A

Таблица 2. Функции выводов MR2A16A

Времена циклов чтения/записи/стирания малы, симметричны по длительности и составляют 35 нс. Диапазон рабочих напряжений микросхемы - 3-3,6 В, встроенная схема мониторинга питания предотвращает запись ячеек памяти при снижении уровня питающего напряжения более чем на 0,5 В относительно рабочего. Рабочий температурный диапазон микросхем MRAM образца 2006 г. составляет 0-70°С. Во втором квартале 2007 г. компания Freescale начнет серийный выпуск микросхем MR2A16A с рабочим диапазоном – 40-105°С. В третьем квартале 2007 г. компания планирует анонсировать новые продукты на базе технологии MRAM. Ожидается, что следующими в линейке микросхем будут модули памяти объемом 1 Мбит и 16 Мбит.

Микросхемы MR2A16A выпускаются в корпусе 44-TSOP (type-II) в соответствии с техническими условиями RoHS. В корпус микросхемы встроено защитное экранирование от внешних электромагнитных помех. Конфигурация выводов MR2A16A полностью соответствует микросхемам памяти типа SRAM, по принципу работы с памятью MRAM также схожа с SRAM. Поэтому чипы памяти MR2A16A могут применяться в существующих устройствах и системах, использующих память SRAM, без каких-либо изменений в схеме.

Данные сохраняются в ячейках за счет намагниченности, а не за счет заряда, что позволяет сохранять информацию без регенерации и без питающего напряжения 10 лет и более. Переключение состояния битов осуществляется без перемещения атомов и электронов внутри материалов, поэтому отсутствует эффект постепенной деградации внутренней структуры битовой ячейки и обеспечивается стабильность характеристик памяти во время всего срока службы микросхемы. Благодаря этому число циклов перезаписи памяти MRAM практически бесконечно (более 10 16), а структура ячеек памяти и рабочие характеристики не деградируют в процессе эксплуатации во всем диапазоне рабочих температур и напряжений. Эксперименты показали, что ячейки памяти MR2A16A выдерживают более 58 трлн. циклов записи и стирания, работая в наихудших эксплуатационных условиях.

До настоящего времени не было зарегистрировано ни одного сбоя в работе ячеек памяти, и эксперимент по тестированию количества циклов записи/стирания ячеек памяти MRAM продолжается. В ходе испытаний микросхемы MR2A16A работали на частоте 4 МГц при температуре окружающей среды 90°С и на частоте 28,5 МГц при температуре окружающей среды 70°С.

Области применения энергонезависимой памяти MRAM

На сегодняшний день основными факторами, сдерживающими начало массового применения памяти MRAM, являются стоимость микросхем, скудость линейки продуктов с различным объемом памяти, а также новизна технологии. Пока разработчикам доступна только одна микросхема объемом 4 Мбит. По мере удешевления технологии производства и появления новых продуктов MRAM от различных производителей стоимость элементов памяти будет стремительно снижаться. Однако уже сейчас можно говорить о многочисленных областях электронной промышленности, в которых использование магниторезистивной памяти будет экономически оправдано.

Наиболее высока потребность в памяти MRAM в коммерческих системах, где требуется сохранение данных при различных нештатных ситуациях, например аварийном отключении питающего напряжения. Эта память является также идеальным решением для различных регистраторов и устройств типа «черного ящика». Данные могут сохраняться на скоростях, сравнимых с памятью типа SRAM, при этом они не будут утеряны вследствие отключения электроэнергии.

Другим ключевым рынком применения памяти MRAM являются приложения, в которых используется память SRAM с батарейным резервным питанием либо NVSRAM (см. рис. 4). По экономической эффективности, техническим и потребительским параметрам замена памяти на MRAM в подобного рода приложениях оправдана более чем в 80% случаев.

Рис. 4. MRAM в качестве альтернативы памяти Battery Backed SRAM

Рынок устройств автомобильной электроники будет в числе первых и основных потребителей магниторезистивной памяти. Осталось дождаться появления микросхем MRAM с автомобильным либо промышленным температурным диапазоном, тем более что уже давно назрела потребность в более надежной, долговечной, быстрой и эффективной памяти, нежели распространенные ЭСППЗУ и флэш-память. В одних электронных системах автомобиля уже сейчас процесс записи не успевает за потоком исходных данных, в других данные необходимо сохранять достаточно часто - все это заставляет разработчиков систем идти на различные ухищрения.

Используя MRAM, автомобильные аварийные регистраторы также будут в состоянии собрать и хранить значительное количество данных непосредственно перед и во время аварии, что может быть крайне полезно, например, для страховых компаний.

К другим областям применения памяти MRAM можно отнести следующие:

• персональные компьютеры, офисная техника (мобильные и стационарные ПК, принтеры, факсы, сканеры и т.п.);
• мобильные, носимые устройства (сотовые телефоны, MP3-плееры, фото- и видеокамеры, КПК и т.п.);
• замена ОЗУ с резервным батарейным питанием;
• хранение первоначальных установок и программ загрузчиков в разнообразных устройствах;
• энергонезависимые буферы хранения оперативной информации в серверах и RAID-массивах;
• счетчики и расходомеры (электричество, тепло, вода и прочее);
• авиационная техника, военные приложения;
• охранно-пожарные системы (журналы событий и т.п.);
• хранение данных в различном медицинском оборудовании;
• расширение оперативной памяти в коммуникационных приложениях и приложениях, требующих частого обращения к обрабатываемым данным.

Перспективы развития

Компания Freescale планирует развивать продукты MRAM в двух направлениях: выпуск отдельных чипов памяти и интеграция в собственные 8-, 16- и 32-разрядные микроконтроллеры и микропроцессоры.

По мере совершенствования технологии магниторезистивной памяти архитектура встраиваемых систем подвергнется радикальной перемене. В настоящее время MRAM имеет наилучший потенциал для замены комбинаций различных типов памяти, например SRAM + флэш + ПЗУ, применяемых сейчас в большинстве микроконтроллеров и систем на кристалле, так как обладает достоинствами всех перечисленных типов. Таким образом, станет возможна архитектура микроконтроллеров с единственной универсальной памятью (singlememory architecture).

Через 3-5 лет возможно появление персональных компьютеров с магниторезистивной памятью. На первоначальной стадии начнется производство ПК, в которых флэшпамять для хранения базовой системы ввода/вывода (т.н. BIOS) будет заменена на память MRAM. В дальнейшем по мере увеличения объемов и скоростей работы MRAM начнется постепенная замена оперативной и кэш-памяти в ПК.

Уже сейчас появляются портативные ПК, в которых накопители на жестких дисках заменяются памятью типа флэш. Если в процессе развития технологии MRAM не возникнет ограничений на создание памяти объемом десятки и сотни гигабит в компактном форм-факторе, следует ожидать появления быстродействующих накопителей для хранения прикладного программного обеспечения и данных. Это даст возможность создавать персональные компьютеры и другие системы и устройства, которые будут загружаться практически мгновенно по сравнению, например, с нынешними ПК, в которых процесс загрузки занимает от десятков секунд до нескольких минут. Кроме того, появится возможность возобновлять выполнение программ после включения устройства с того момента, на котором оно было прервано при выключении напряжения питания.

В результате через несколько лет технология MRAM постепенно начнет не только осваивать новые области применения электронной памяти, но и сможет взять на себя значительную часть уже имеющегося рынка полупроводниковой памяти, заменяя распространенные сегодня энергонезависимые ЭСППЗУ, флэш, FRAM, а также наиболее популярные быстродействующие типы памяти, как статическая SRAM, динамическая DRAM и другие.

Важнейшее преимущество этого типа памяти - энергонезависимость , то есть способность сохранять записанную информацию (например, программные контексты задач в системе и состояние всей системы) при отсутствии внешнего питания.

Технология магниторезистивной памяти разрабатывается с 1990-х годов. В сравнении с растущим объемом производства других типов компьютерной памяти, особенно флэш-памятью и памятью типа DRAM , она пока широко не представлена на рынке. Однако её сторонники верят, что благодаря ряду преимуществ она в конечном счёте заменит все типы компьютерной памяти и станет по-настоящему «универсальной» компьютерной памятью.

Описание

В отличие от других типов запоминающих устройств, информация в магниторезистивной памяти хранится не в виде электрических зарядов или токов, а в магнитных элементах памяти. Магнитные элементы сформированы из двух ферромагнитных слоёв, разделенных тонким слоем диэлектрика . Один из слоёв представляет собой постоянный магнит , намагниченный в определённом направлении, а намагниченность другого слоя изменяется под действием внешнего поля. Устройство памяти организовано по принципу сетки, состоящей из отдельных «ячеек», содержащих элемент памяти и транзистор.

Считывание информации осуществляется измерением электрического сопротивления ячейки. Отдельная ячейка (обычно) выбирается подачей питания на соответствующий ей транзистор , который подаёт ток от источника питания через ячейку памяти на общую землю микросхемы. Вследствие эффекта туннельного магнитосопротивления электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченностей в слоях. По величине протекающего тока можно определить сопротивление данной ячейки, и как следствие, полярность перезаписываемого слоя. Обычно одинаковая ориентация намагниченности в слоях элемента интерпретируется как «0», в то время как противоположное направление намагниченности слоёв, характеризующееся более высоким сопротивлением - как «1».

Информацию можно записывать в ячейки, используя множество способов. В простейшем случае каждая ячейка лежит между двумя линиями записи, размещёнными под прямым углом друг к другу, одна над, а другая под ячейкой. Когда ток проходит через них, в точке пересечения линий записи наводится магнитное поле , которое воздействует на перезаписываемый слой. Такой же способ записи использовался в памяти на магнитных сердечниках, которая использовалась в 1960-х годах. Этот способ требует достаточно большого тока, необходимого для создания поля, и это делает их не очень подходящими для применения в портативных устройствах, для которых важно малое потребление энергии, это один из основных недостатков MRAM. Кроме того, с уменьшением размера микросхем придёт время, когда индуцированное поле перекроет соседние ячейки на маленькой площади, что приведёт к возможным ошибкам записи. Из-за этого в памяти MRAM данного типа необходимо использовать ячейки достаточно большого размера. Одним из экспериментальных решений этой проблемы было использование круглых доменов, читаемых и записываемых с помощью эффекта гигантского магнитного сопротивления , но исследования в этом направлении более не проводятся.

Другой подход, переключения режимов, использует многошаговую запись с модифицированной многослойной ячейкой. Ячейка модифицирована, содержит в себе искусственный антиферромагнетик , где магнитная ориентация чередуется назад и вперёд через поверхность, с обоими (прикреплённым и свободным) слоями, составленными из многослойных стеков изолированных тонким «соединяющим слоем». Результирующие слои имеют только два стабильных состояния, которые могут быть переключены из одного в другое выбором времени тока записи в двух линиях, так, одна немного задерживается, таким образом «поворачивая» поле. Любое напряжение, меньшее, чем полный уровень записи, фактически увеличивает его сопротивление для переключения. Это значит, что ячейки, расположенные вдоль одной из линий записи, не будут подвержены эффекту непреднамеренного перемагничивания, позволяя использовать меньшие размеры ячеек.

Новая технология переноса спинового момента (spin-torque-transfer-STT) или переключения с помощью переноса спина использует электроны с заданным состоянием спина («поляризованные»). Проходя через свободный ферромагнитный слой, их вращающий момент передается намагниченности этого слоя и переориентирует ее. Это уменьшает величину тока, необходимую для записи информации в ячейку памяти, а потребление при чтении и записи становится примерно одинаковым. Технология STT должна решить проблемы, с которыми «классическая» технология MRAM столкнётся при увеличении плотности размещения ячеек памяти и соответствующего увеличения тока, необходимого для записи. Поэтому технология STT будет актуальна при использовании технологического процесса 65 нм и менее. Отрицательная сторона состоит в том, что в настоящее время STT необходим бо{{подст:удар}}льший ток на управляющем транзисторе для переключения, чем обычной MRAM, а значит требуется большой транзистор и необходимость поддерживать когерентность вращения. В целом, несмотря на это, STT требует намного меньшего тока записи, чем обычная или переключательная MRAM.

Другими возможными путями развития технологии магниторезистивной памяти являются технология термического переключения (TAS-Thermal Assisted Switching), при которой во время процесса записи магнитный туннельный переход быстро нагревается (подобно PRAM) и в остальное время остается стабильным при более низкой температуре, а также технология вертикального транспорта (VMRAM-vertical transport MRAM), в которой ток, проходящий через вертикальные столбцы, меняет магнитную ориентацию, и такое геометрическое расположение ячеек памяти уменьшает проблему случайного перемагничивания и соответственно может увеличить возможную плотность размещения ячеек.

Сравнение с другими типами памяти

Плотность размещения элементов в микросхеме

Главным фактором, от которого зависит себестоимость производства микросхем памяти, является плотность размещения в ней отдельных ячеек. Чем меньше размер одной ячейки, тем большее их количество может быть размещено на одной микросхеме, и соответственно большее число микросхем может быть произведено за один раз из одной кремниевой пластины. Это улучшает выход годных изделий, и снижает стоимость производства микросхем.

| - {{{description}}}.

| - «{{{quote}}}»{{#if: 2016-07-21 | }}

}}{{#if: 2016-07-21

| Проверено {{#iferror: {{#time: j xg Y | 2016-07-21 }} | 2016-07-21{{#if: | {{{accessyear}}} }} }}.

| Проверено {{#iferror: {{#time: j xg Y | {{{accessmonthday}}} }} | {{{accessmonthday}}}{{#if: | {{{accessyear}}} }} }}.

| Проверено {{#iferror: {{#time: j xg Y | {{{accessdaymonth}}} }} | {{{accessdaymonth}}}{{#if: | {{{accessyear}}} }} }}.

| [{{{archiveurl}}} Архивировано из первоисточника {{#iferror: {{#time: j xg Y | {{{archivedate}}} }} | {{{archivedate}}} }}].

Применение

Предполагается использовать память MRAM в таких устройствах, как:

• Аэрокосмические и военные системы
• Сотовые базовые станции
• Специальные устройства для регистрации данных (чёрные ящики)

См. также

Примечания

Неизвестный тег расширения «references»

Ссылки

• Новый чип уменьшит зависимость от электропитания / BBC Russian, июль 2006

Магниторезистивная оперативная память с переносом спинового момента (ST-MRAM) становится наиболее перспективной технологией для запоминающих устройств следующих поколений. ST-MRAM энергонезависима, так как сохраняет данные при выключении питания. Она быстра, а скорости чтения и записи сравнимы с DRAM, и даже с кэш SRAM. Кроме того, она эффективна по стоимости, так как использует небольшую однотранзисторную битовую ячейку и требует лишь два или три дополнительных этапа маскирования.

Однако MRAM имеет свои особенности. Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных заблуждений или мифов о MRAM.

1. Запись в ST-MRAM на 100% предсказуема и детерминирована.

Скорее всего, именно так и вы думаете. Ведь если вы записываете один триллион раз в хорошую ячейку SRAM или DRAM памяти, то, не считая программных ошибок или различных внешних событий, ячейка будет корректно записана один триллион раз. Однако MRAM отличается тем, что установка вектора магнитной поляризации является вероятностным событием - запись в ячейку MRAM один триллион раз практически всегда будет выполнена, но изредка - нет. Одна из самых больших проблем технологии MRAM, требующих решения, заключается в снижении частоты ошибок записи (write error rate - WER) до минимально возможного уровня, а также в исправлении тех немногих ошибок, которые все же будут возникать.

2. Я увидел в документации очень впечатляющую характеристику MRAM - быстродействие. При скоростях от 2 до 3 нс создается впечатление, что она сможет полностью заменить SRAM.

Характеристики MRAM могли быть оптимизированы. Например, увеличение напряжения записи улучшает как время переключения, так и упомянутый выше показатель WER. Но есть и обратная сторона. Повышенное напряжение существенно увеличивает потребление мощности и снижает срок службы - количество циклов записи до износа туннельного барьера. Как и для всех типов памяти, ключом к созданию MRAM является поиск правильного сочетания скорости, потребляемой мощности, срока службы и времени сохранения информации, отвечающего требованиями приложения.

В этом отношении ST-MRAM имеет большие перспективы. Информация в ней не разрушается при выключенном питании. Ее быстродействие сопоставимо с DRAM, и даже кэш SRAM. Наконец, она недорога, поскольку использует небольшую однотранзисторную битовую ячейку и в производстве требует лишь двух или трех дополнительных операций литографии.

3. Современная MRAM - это практически та же память на магнитных сердечниках, которая использовалась несколько десятилетий назад, только меньше.

В категорию «MRAM» входят три поколения устройств. К первому поколению относятся устройства памяти на магнитных сердечниках и другие MRAM-устройства с малой степенью интеграции, в которых используется «коммутация поля» с двумя разновидностями технологий ST-MRAM. MRAM второго поколения - «плоскостные» - используют векторы магнитной поляризации, параллельные плоскости магнитного слоя (то есть, поверхности пластины). В «перпендикулярных» MRAM третьего поколения вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости пластины. Сегодня основные усилия разработчиков MRAM сосредоточены на устройствах с перпендикулярным магнитным туннельным переходом (magnetic-tunnel-junction - MTJ).

4. MRAM потребляет очень много энергии.

На самом деле потребляемая MRAM мощность крайне мала. Например, по сравнению с флэш-памятью, для записи бита данных в ST-MRAM требуется энергии в 1000…10000 раз меньше, что делает ее идеальной малопотребляющей памятью для устройств Интернета вещей. Используемая в приложениях SRAM, MRAM не расходует энергию на хранение данных. А в приложениях, аналогичных DRAM, MRAM не нуждается в энергии ни для хранения, ни для обновления данных. Таким образом, экономия мощности оказывается весьма значительной.

5. MRAM - самая сложная из всех технологий памяти следующего поколения.

На пути любой развивающейся технологии памяти возникают определенные сложности, и, конечно же, после прочтения предыдущих пунктов может показаться, что MRAM также сложна. Вероятностная природа MRAM создает проблемы для ее использования, и некоторые компании все еще борются над полным устранением битовых ошибок.

Тем не менее, в сравнении с другими технологиями памяти следующего поколения, принципы MRAM намного лучше изучены и коммерциализированы, поскольку эта технология пришла из индустрии дисковых накопителей. Магнитный туннельный переход в считывающей головке дискового накопителя подобен MTJ в плоской битовой ячейке MRAM. Ежегодно изготавливаются и устанавливаются во вращающиеся дисковые приводы многие сотни миллионов таких головок. И, возможно, самое важное - в MRAM все физические материалы статичны. Не требуется ни перемещения атомов, как в RRAM (резистивная память с произвольным доступом - ред.), ни изменения состояния материалов, как в ОЗУ на фазовых переходах.

6. MRAM является первичной памятью, имеющей скорость кэша SRAM и время хранения FLASH.

Это утверждение истинно, если каждую его часть рассматривать по отдельности, так как время хранения и скорость записи находятся в противоречии - увеличение одного приводит к ухудшению другого. Также верно, что по характеристикам хранения MRAM может не уступать флеш памяти, или превосходить ее, и при этом быть на несколько порядков более долговечной, быстрой и экономичной. Кроме того, хотя устройства MRAM и могут работать на скоростях кэш, при времени хранения, сопоставимом с флеш памятью, MRAM окажутся в несколько раз медленнее - их скорости записи, возможно, будут в диапазоне от 40 до 100 нс. Между тем, кэш MRAM с быстродействием менее 10 нс невозможно изготовить по обычной технологии ST-MRAM так, чтобы иметь время хранения больше секунд или, возможно, часов.

7. MRAM очень сложна в производстве.

На самом деле все этапы производства MRAM очень просты: послойное осаждение материалов, травление и формирование межсоединений. Конечно же, при изготовлении MRAM высокой плотности возникают определенные проблемы, связанные с разработкой материалов для внутренних слоев и процессом травления. Но однажды освоенная технология изготовления MRAM будет лишь немного дороже КМОП за счет всего двух или трех дополнительных операций литографии и связанных с ними производственных процессов.

8. Люди говорят о различных диаметрах магнитных туннельных переходов. Я думаю, что диаметр перехода должен соответствовать используемому техпроцессу.

Диаметр магнитного туннельного перехода слабо связан с топологическими нормами используемого техпроцесса. MTJ должен быть достаточно малым, чтобы соответствовать площади элементов, изготавливаемых в базовом техпроцессе, но обычно его размеры бывают намного больше. Например, в техпроцессе изготовления логических схем с проектными нормами 28 нм, скорее всего, будут использоваться MTJ диаметром от 40 до 60 нм. Выбор диаметра MTJ на самом деле достаточно сложен, поскольку многие его свойства меняются при уменьшении размеров устройства.

9. Оборудование для производства MRAM заимствуется из индустрии жестких дисков и не годится для крупносерийного изготовления полупроводников.

Сегодня TEL, Applied Materials, отделение Anelva группы Canon, Singulus, LAM и другие компании разрабатывают или поставляют оборудование для массового производства 300-мм пластин MRAM

10. Исходящее из MRAM магнитное поле будет нарушать работу расположенных ниже КМОП схем, так же как магнитные датчики и компасы в мобильных устройствах.

Поле небольшого столбика MTJ очень быстро спадает, и на глубине полевого транзистора им уже можно пренебречь.

11. Вероятность потери данных в памяти MRAM выше, чем в SRAM.

В устройствах SRAM и DRAM всегда существует вероятность потери данных из-за воздействия фонового ионизирующего излучения. И эта проблема усугубляется, поскольку размеры элементов постоянно уменьшаются. Для устройств хранения на основе MTJ MRAM такой проблемы не существует, так как по своей природе они невосприимчивы к ионизирующему излучению. Это значит, что технология MRAM, в сочетании с соответствующей КМОП технологией, идеальна для аэрокосмических приложений и других областей, где присутствует радиация.