Упрощенная структура ячейки MRAM памяти

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 1016), 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.  

Литература

Lee T. MRAM Joins the Memory Market//Electronic Engineering Times — Asia, October 16—31, 2006.

www.freescale.com/mram.

 

Кремниевые полупроводниковые  технологии почти исчерпали свои ресурсы, и поэтому неотвратимо  приближается эра новых технических  решений. В декабре 2005 года было опубликовано официальное сообщение International Technology Roadmap for Semiconductors от имени Международного комитета производителей. В сообщении говорится о начале перехода к посткремниевой эре в схемотехнике. Производители из Японии, Европы, Кореи, США и Тайваня планируют в ближайшее время представить объединенный план перехода на новую технологию. Вероятно, универсальная память, как важнейший компонент электронных устройств, если когда-нибудь и появится, то будет продуктом именно новых, а не традиционных кремниевых технологий. 
 
 

Основным отличием современных подходов к разработке энергонезависимой памяти является применение совершенно новых физических принципов и механизмов хранения информации:

• перемещение заряда в кристалле или молекуле вещества (сегнетоэлектрическая память FRAM);

• изменение электрического сопротивления ячейки в зависимости  от изменения магнитного поля (магниторезистивная память MRAM);

• изменение фазового состояния вещества и связанного с ним изменения электрических  свойств (CRAM или PC Memory);

• использование  наномеханических переключателей, имеющих два стабильных положения (NRAM). 

Хотя все последние  годы исследования шли по всем направлениям, но, по меньшей мере, в двух из них  стал просматриваться реальный результат. Однако прежде чем говорить об этих наиболее перспективных технологиях, необходимо хотя бы несколько слов сказать о других исследованиях, о проблемах и успехах, о достижениях  настоящего времени. Пусть там сегодня  еще нет серийного продукта, но уже существуют экспериментальные  образцы, обладающие привлекательными свойствами. В технических решениях заложен хороший потенциал и  есть настойчивое желание добиться результата. 

MRAM 

Пока MRAM активно никем  не пропагандируется. Возможно, тому есть свои причины и основная из них  — недостаточно широкий (пока еще) спектр выпускаемых продуктов. Новых ИС MRAM буквально единицы, и, значит, выбирать пока не из чего, тогда как другие виды памяти производятся в десятках модификаций несколькими компаниями. 

Магниторезистивная  оперативная память (MRAM) — 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. 

Основными достоинствами MRAM, наряду с достигнутым самым  высоким быстродействием, являются: практически неограниченное число  допускаемых циклов записи/считывания (например, флэш-накопители имеют ограничения в этом плане) и сохранение записей при отключении питания. Это позволяет ей претендовать на роль универсальной памяти, объединяющей свойства DRAM, SDRAM и флэш-памяти. Поэтому предполагается, что MRAM в перспективе смогут заменить не только современные устройства оперативной памяти, но и жесткие диски, в результате чего архитектура ПК существенно упростится. 

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». 
 
 

Преимущества по сравнению с другими типами памяти. 

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.