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

Элементарная ячейка новейшей магнитной памяти

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

Рис. 11.9.

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

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

Матричная организация МРОЗУ

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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.

Магниторезистивная оперативная память

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

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

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

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

Диэлектрик - это вещество, плохо проводящее электрический ток.

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

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

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

Схематически описанная ячейка магниторезистивной памяти изображена на рисунке 2.

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

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

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

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

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

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

Давайте рассмотрим основные преимущества и недостатки магниторезистивной памяти.

Достоинства:

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

Недостатки:

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

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

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

« Южно-Уральский Государственный Университет »

Факультет « Энергетический »

Кафедра « ЭСИС »

Магниторезистивная оперативная память реферат по дисциплине« Информатика »

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

Аннотация

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

Цель реферата – отразить процесс энергонезавсемости при отсутствии внешнего питания.

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

1 Введение 4

2 История создания технологии MRAM 5

3 Свойства магниторезистивной памяти 5

3.1 Преимущества 5

3.2 Недостатки 5

3.2.1 Сравнительные характеристики основных типов памяти 6

4 Структура и функционирование битовых ячеек MRAM 6

5 Микросхема памяти MR2A16A 8

5.1 Функции выводов MR2A16A 8

6 Области применения энергонезависимой памяти MRAM 9

7 Перспективы развития 10

8 Заключение 12

9 Библиографический список 13

1. Введение

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

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

1. История создания технологии mram

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

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

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

1. Свойства магниторезистивной памяти

   1. Преимущества

энергонезависимость;

высокое быстродействие;

не требуется регенерация ячеек.

1. Недостатки

сложности с существующими способами записи;

большой размер ячейки памяти, из-за технологии записи;

высокое энергопотребление по той же причине.