Magnetoresistive random access memory (MRAM - eng. magnetoresistive random-access memory ) är en direktåtkomstlagringsenhet baserad på spinnventiler . Lagrar information med hjälp av magnetiska moment snarare än elektriska laddningar .
Fördelen med denna typ av minne är icke- flyktighet , det vill säga förmågan att behålla inspelad information (till exempel programsammanhang med uppgifter i systemet och tillståndet för hela systemet) i frånvaro av extern ström.
Magnetoresistiv minnesteknik har varit under utveckling sedan 1990-talet. Jämfört med den växande produktionen av andra typer av datorminnen, särskilt flashminnen och DRAM-minnen , är det ännu inte allmänt tillgängligt på marknaden. Dess förespråkare tror dock att det på grund av ett antal fördelar kan ersätta andra typer av datorminne och bli en verkligt "universell" bas för lagringsenheter. Moderna varianter av magnetoresistivt minne produceras för närvarande STT-MRAM ( spin-transfer vridmoment MRAM , dataregistrering med hjälp av spin momentum transfer) [1] och lovande SOT-MRAM (spin-orbit vridmoment MRAM, dataregistrering med spin-orbit rotationsmoment) [ 2] [3] .
Sedan 2013 har massproduktion av mikrochips och inbäddade MRAM-minnesceller i Ryssland utförts i Moskva vid Crocus Nanoelectronics-fabriken. [fyra]
Till skillnad från andra typer av lagringsenheter lagras information i magnetoresistivt minne inte i form av elektriska laddningar eller strömmar, utan i magnetiska minneselement. Magnetiska element bildas av två ferromagnetiska lager åtskilda av ett tunt dielektriskt lager . Ett av lagren är en permanentmagnet , magnetiserad i en viss riktning, och magnetiseringen av det andra lagret förändras under påverkan av ett yttre fält. Minnesenheten är organiserad enligt principen om ett rutnät som består av separata "celler" som innehåller ett minneselement och en transistor.
Avläsningen av information utförs genom att mäta cellens elektriska resistans . En enskild cell väljs (vanligtvis) genom att aktivera dess motsvarande transistor , som matar ström från strömförsörjningen genom minnescellen till chipets gemensamma jord. På grund av effekten av tunnelmagnetoresistans varierar cellens elektriska resistans beroende på den inbördes orienteringen av magnetiseringarna i lagren. Genom storleken på den strömmande strömmen kan man bestämma resistansen för en given cell och, som en konsekvens, polariteten hos det omskrivbara lagret. Typiskt tolkas samma orientering av magnetiseringen i skikten av ett element som "0", medan den motsatta magnetiseringsriktningen för skikten, kännetecknad av ett högre motstånd, tolkas som "1".
Information kan skrivas till celler med en mängd olika metoder. I det enklaste fallet ligger varje cell mellan två registreringslinjer placerade i rät vinkel mot varandra, en ovanför och en under cellen. När en ström passerar genom dem induceras ett magnetfält i skärningspunkten för skrivlinjerna , vilket påverkar det omskrivbara lagret. Samma inspelningsmetod användes i magnetiskt kärnminne, som användes på 1960-talet. Denna metod kräver ganska mycket ström för att generera fältet, och detta gör att de inte är särskilt lämpliga för bärbara enheter där låg strömförbrukning är viktig, detta är en av de största nackdelarna med MRAM. Dessutom, med en minskning av storleken på chips, kommer tiden att komma när det inducerade fältet kommer att överlappa närliggande celler i ett litet område, vilket kommer att leda till möjliga skrivfel. På grund av detta måste celler av en tillräckligt stor storlek användas i denna typ av MRAM-minne. En experimentell lösning på detta problem var användningen av cirkulära domäner som lästes och skrivs av den gigantiska motvillighetseffekten , men forskning i denna riktning utförs inte längre.
Ett annat tillvägagångssätt - lägesväxling - använder flerstegsinspelning med en modifierad flerskiktscell. Cellen är modifierad för att innehålla en artificiell antiferromagnet där den magnetiska orienteringen växlar fram och tillbaka över ytan, med båda (anslutna och fria) skikten uppbyggda av flerskiktsstaplar isolerade av ett tunt "bindningsskikt". De resulterande skikten har bara två stabila tillstånd, som kan växlas från det ena till det andra genom att tajma skrivströmmen på de två linjerna, så det ena fördröjs lite, vilket "roterar" fältet. Varje spänning som är lägre än den fulla skrivnivån ökar faktiskt dess motstånd mot omkoppling. Detta innebär att celler placerade längs en av inspelningslinjerna inte kommer att utsättas för effekten av oavsiktlig magnetiseringsomkastning, vilket gör att mindre cellstorlekar kan användas.
Den nya tekniken för överföring av vridmoment (spin-moment-transfer-STT) eller växling av spinnöverföring använder elektroner med ett givet spinntillstånd ("polariserat"). Passerar genom ett fritt ferromagnetiskt skikt, deras vridmoment överförs till magnetiseringen av detta skikt och omorienterar det. Detta minskar mängden ström som krävs för att skriva information till en minnescell, och förbrukningen för läsning och skrivning blir ungefär densamma. STT-tekniken ska lösa de problem som den "klassiska" MRAM-tekniken kommer att möta med ökande minnescellstäthet och en motsvarande ökning av strömmen som krävs för inspelning. Därför kommer STT-teknik att vara relevant när man använder en 65 nm-process eller mindre. Nackdelen är att STT för närvarande behöver mer ström för att driva transistorn att växla än konventionella MRAM, vilket innebär att en stor transistor krävs och behovet av att upprätthålla rotationskoherens . I allmänhet, trots detta, kräver STT mycket mindre skrivström än vanlig eller switch-MRAM.
Andra möjliga sätt att utveckla magnetoresistiv minnesteknik är termisk omkopplingsteknik (TAS-Thermal Assisted Switching), där den magnetiska tunnelövergången under skrivprocessen värms upp snabbt (som PRAM) och förblir stabil vid en lägre temperatur resten av tiden, såväl som vertikal transportteknik (VMRAM-vertical transport MRAM), där strömmen som passerar genom de vertikala kolumnerna ändrar den magnetiska orienteringen, och ett sådant geometriskt arrangemang av minnesceller minskar problemet med slumpmässig magnetiseringsomkastning och kan följaktligen öka möjlig celltäthet.
Kostnaden för produktion av minneschip beror främst på tätheten av placeringen av enskilda celler i den. Ju mindre storleken på en cell, desto fler av dem kan placeras på ett chip, och följaktligen kan ett större antal chips produceras åt gången från en kiselskiva. Detta förbättrar utbytet av bra produkter och minskar kostnaderna för att tillverka mikrokretsar.
I DRAM- minne används kondensatorer som minneselement , ledare bär ström till och från dem, och kontrolltransistorer är en cell av "1T / 1C"-typ. Kondensatorn består av två små metallplattor åtskilda av ett tunt dielektriskt lager, den kan göras så liten som den nuvarande utvecklingen av den tekniska processen tillåter. DRAM-minne har den högsta celltätheten av alla tillgängliga minnestyper för närvarande, jämfört med SRAM till exempel . De flesta moderna DRAM-minneschips har en cellstorlek på 32 gånger 20 nm. Detta gör den till den billigaste, varför den används som huvudminne för datorer.
En MRAM-minnescell liknar designen en DRAM-cell, även om den ibland inte använder en transistor för att skriva information. Men när de linjära dimensionerna av MRAM-elementen minskar, finns det en möjlighet att överlappa intilliggande celler av ett externt magnetfält och falsk dataregistrering (effekten av halvval eller registreringsöverträdelser). På grund av detta hinder är cellstorleken i konventionell MRAM-teknik begränsad underifrån till 180 nm [5] . Med hjälp av mode-switched MRAM-teknik kan en mycket mindre cellstorlek uppnås innan halvvalseffekten blir ett problem, runt 90 nm [6] . Dessa är tillräckligt bra egenskaper för att kunna introduceras i produktionen, och det finns utsikter för att uppnå en magnetoresistiv minnesstorlek på 65 nm eller mindre.
Endast en modern minnesteknik kan konkurrera i hastighet med magnetoresistivt minne. Detta är statiskt minne eller SRAM . SRAM-minnesceller är vippor som lagrar ett av två tillstånd så länge som energin tillförs. Varje flip-flop består av flera transistorer. Eftersom transistorer har mycket låg strömförbrukning är deras kopplingstid mycket kort. Men eftersom en SRAM-minnescell består av flera transistorer - vanligtvis fyra eller sex - är dess yta större än en minnescell av DRAM-typ. Detta gör SRAM dyrare, så det används bara i små mängder, som särskilt snabbt minne, såsom cacheminne och processorregister i de flesta moderna modeller av centralenheter . Vi bör inte heller glömma att redan nu tillverkar processorer flera nivåer av cacheminne med olika hastigheter och storlekar.
Eftersom kondensatorerna som används i DRAM-chips förlorar sin laddning med tiden, måste minneschipsen som använder dem regelbundet uppdatera innehållet i alla celler, läsa varje cell och skriva över dess innehåll. Detta kräver en konstant strömförsörjning, så så fort datorns ström stängs av förlorar DRAM-minnet all lagrad information. Ju mindre minnescellen är, desto fler uppdateringscykler behövs, och som ett resultat ökar strömförbrukningen.
Till skillnad från DRAM kräver MRAM inte konstant uppdatering. Det betyder inte bara att minnet behåller informationen som skrivs till det när strömmen stängs av, utan också att i frånvaro av läsning eller skrivning förbrukas ingen energi alls. Även om MRAM teoretiskt sett borde förbruka mer ström än DRAM när man läser information, är läsströmförbrukningen i praktiken nästan densamma. Skrivprocessen kräver dock 3-8 eller fler gånger mer energi än läsning, denna energi går åt till att förändra magnetfältet. Även om den exakta mängden energi som sparas beror på arbetets karaktär - mer frekventa skrivningar kräver mer energi - förväntas i allmänhet lägre strömförbrukning (upp till 99 % mindre) jämfört med DRAM . Med STT MRAM-teknik är strömförbrukningen för att skriva och läsa ungefär densamma, och den totala strömförbrukningen är ännu lägre.
Man kan jämföra magnetoresistivt minne med en annan konkurrerande typ av minne, flashminne . Liksom magnetoresistivt minne är flashminne icke-flyktigt. Flash-minnet förlorar inte information när strömmen stängs av, vilket gör det mycket bekvämt att byta ut hårddiskar i bärbara enheter som digitala spelare eller digitalkameror. När man läser information är flashminne och MRAM nästan samma när det gäller strömförbrukning. Men för att skriva information i flashminneschips krävs en kraftfull spänningspuls (cirka 10 V), som ackumuleras efter en viss tid när laddningen pumpas - detta kräver mycket energi och tid. Dessutom förstör den aktuella pulsen fysiskt flashminnescellerna, och information i flashminnet kan endast skrivas ett begränsat antal gånger innan minnescellen går sönder.
Till skillnad från flashminne kräver MRAM-chips lite mer energi för att skriva än att läsa. Men samtidigt är det inte nödvändigt att öka spänningen och ingen laddningspumpning krävs. Detta leder till snabbare drift, lägre strömförbrukning och ingen livslängd. Flash-minne förväntas bli den första typen av minneschip som så småningom ersätts av MRAM.
DRAM-minnets hastighet begränsas av den hastighet med vilken laddningen som lagras i cellerna kan tömmas (för läsning) eller ackumuleras (för att skriva). MRAM-drift baseras på spänningsmätning, vilket är att föredra framför drift med strömmar, eftersom transienter är snabbare. Forskare från det belgiska institutet IMEC har demonstrerat SAT-MRAM-enheter med åtkomsttider i storleksordningen 0,2 ns (210 pikosekunder) [7] , vilket är märkbart bättre än även de mest avancerade DRAM och SRAM. Fördelarna jämfört med Flash-minne är mer betydande - deras läslängd är nästan densamma, men skrivtiden i MRAM är tiotusentals gånger mindre.
Modernt magnetoresistivt minne är snabbare än SRAM-minne, det är ganska intressant i denna kapacitet. Den har en högre densitet, och CPU- designers kan i framtiden välja mellan en större mängd av det långsammare MRAM och en mindre mängd av det snabbare SRAM för cacheanvändning .
Magneto-resistivt minne har en hastighet jämförbar med SRAM -minne , samma celltäthet, men mindre strömförbrukning än DRAM-minne , det är snabbare och lider inte av försämring över tiden jämfört med flashminne . Det är denna kombination av egenskaper som kan göra det till ett "universellt minne" som kan ersätta SRAM, DRAM och EEPROM och Flash. Detta förklarar det stora antalet studier som syftar till dess utveckling.
Naturligtvis är MRAM för närvarande inte redo för utbredd användning. Stor efterfrågan på flashminnesmarknaden tvingar tillverkare att aggressivt introducera nya tillverkningsprocesser. De senaste fabrikerna, som Samsungs 16 GB flashminne, använder 50nm- processen . Äldre produktionslinjer producerar DDR2 DRAM-minneschips med den tidigare generationens 90nm processteknologi.
Magneto-resistivt minne är fortfarande till stor del "under utveckling" och tillverkas med föråldrade tillverkningsprocesser. Eftersom efterfrågan på flashminne för närvarande överstiger utbudet kommer det att ta lång tid för ett företag att besluta sig för att konvertera en av sina toppmoderna tillverkningsanläggningar till att tillverka magnetoresistiva minneschips. Men även i det här fallet förlorar designen av magnetoresistivt minne för närvarande till flashminne när det gäller cellstorlek, även när man använder samma tekniska processer.
Ett annat höghastighetsminne som är under aktiv utveckling är Antifuse ROM. Eftersom den är programmerbar en gång lämpar den sig endast för oföränderliga program och data, men när det gäller hastighet tillåter den också drift vid den omedelbara processorfrekvensen, liknande SRAM och MRAM. Antifuse ROM implementeras aktivt i styrenheter och FPGA, där mjukvaruprodukten är integrerad med hårdvaran. Antifuse ROM-celler är potentiellt mer kompakta, mer tekniskt avancerade och billigare än MRAM-celler, men denna möjlighet är inte heller avslöjad, liknande MRAM. Med tanke på att många användare ofta använder flash-enheter för arkivering, till exempel fotografier, för vilka flashminnet inte är avsett på många år på grund av problem med många års laddningslagring, d.v.s. faktiskt använder flashminne som en ROM, på konsumentmarknaden Antifuse ROM, som är en slags efterföljare till CD-R, kan också räkna med att "dela marknaden" med MRAM.
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2016
2017
2018
2019
MRAM-minne är tänkt att användas i enheter som: