Упрощенная структура ячейки MRAM памяти

[править]

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. 

2004

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. 

2005

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.

[править]

Текущий статус 

2006

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. 

2007

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

2008

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. 

2009

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

2010

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

2011

Август — Samsung заявила о приобретении Grandis — поставщика запоминающих устройств на основе памяти STT-RAM.

[править]

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)

[править]

См. также

RAM

Магнитоэлектронные запоминающие устройства

Память на магнитных  сердечниках

[править]

Ссылки

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

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

 

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.  

При проектировании памяти MRAM, пригодной для серийного  производства, разработчики столкнулись  с серьезной проблемой, а именно с высокой чувствительностью  к случайному перемагничиванию. При  изменении определенного бита памяти высока вероятность того, что свободный  магнитный слой соседних битов может  быть также непреднамеренно изменен. Для повышения стабильности процесса установки бита и устранения эффекта  непреднамеренного перемагничивания медные проводники с трех сторон закрыли  специальным изолирующим экраном, предотвращающим паразитные наводки  на соседние битовые ячейки. Кроме  этого, изолирующий экран направляет и фокусирует магнитное поле только на целевую битовую ячейку, что  позволило существенно снизить  ток программирования. В итоге  импульсы тока на линии 1 и линии 2 меняют вектор намагниченности свободного слоя определенной ячейки, не внося изменения в остальные биты в том же ряду или столбце (см. рис. 2).  

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 Сигнал Функция

A[17:0] Вход адреса

E Выбор чипа

W Разрешение записи

G Разрешение чтения

UB Выбор старшего байта

LB Выбор младшего байта

DQL[7:0] Запись/чтение данных, младший байт

DQU[15:8] Запись/чтение данных, старший байт

VDD Питание 3.3 В

VSS Земля

NC Не используется 
 

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.