Magnetoresistive hajasaantimuisti (MRAM - eng. magnetoresistive random-access memory ) on spinventtiileihin perustuva hajasaantimuistilaite . Tallentaa tietoja käyttämällä magneettisia momentteja sähkövarausten sijaan .
Tämän tyyppisen muistin etuna on haihtumattomuus , eli kyky säilyttää tallennettua tietoa (esimerkiksi järjestelmän tehtävien ohjelmakontekstit ja koko järjestelmän tila) ulkoisen virran puuttuessa.
Magnetoresistiivistä muistitekniikkaa on kehitetty 1990-luvulta lähtien. Verrattuna muuntyyppisten tietokonemuistien, erityisesti flash- ja DRAM-muistien , kasvavaan tuotantoon , se ei ole vielä laajalti saatavilla markkinoilla. Sen kannattajat uskovat kuitenkin, että useiden etujen ansiosta se voi korvata muun tyyppiset tietokoneen muistit ja tulla todella "universaaliksi" pohjaksi tallennuslaitteille. Nykyaikaisia magnetoresistiivisen muistin muunnelmia tuotetaan tällä hetkellä STT-MRAM ( spin-transfer torque MRAM , tiedon tallennus spin-momentin siirtoa käyttäen) [1] ja lupaava SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM, tietojen tallennus spin-orbit rotaatiomomenttia käyttäen ) [ 1]. 2] [3] .
Vuodesta 2013 lähtien mikrosirujen ja sulautettujen MRAM-muistisolujen massatuotantoa Venäjällä on tehty Moskovassa Crocus Nanoelectronicsin tehtaalla. [neljä]
Toisin kuin muun tyyppisissä tallennuslaitteissa, magnetoresistiivisessä muistissa olevaa tietoa ei tallenneta sähkövarausten tai virtojen muodossa, vaan magneettisiin muistielementteihin. Magneettiset elementit muodostuvat kahdesta ferromagneettisesta kerroksesta, jotka on erotettu toisistaan ohuella dielektrisellä kerroksella . Yksi kerroksista on kestomagneetti , joka on magnetoitu tiettyyn suuntaan, ja toisen kerroksen magnetoituminen muuttuu ulkoisen kentän vaikutuksesta. Muistilaite on järjestetty ruudukon periaatteella, joka koostuu erillisistä "soluista", jotka sisältävät muistielementin ja transistorin.
Tietojen lukeminen suoritetaan mittaamalla kennon sähkövastus . Yksittäinen solu valitaan (yleensä) aktivoimalla sen vastaava transistori , joka syöttää virtaa virtalähteestä muistikennon kautta sirun yhteiseen maahan. Tunnelointimagnetoresistanssin vaikutuksesta kennon sähköinen resistanssi vaihtelee kerrosten magnetointien keskinäisen orientaation mukaan. Virtaavan virran suuruuden perusteella voidaan määrittää tietyn kennon resistanssi ja sen seurauksena uudelleenkirjoitettavan kerroksen napaisuus. Tyypillisesti sama magnetoinnin suunta elementin kerroksissa tulkitaan "0", kun taas kerrosten vastakkainen magnetointisuunta, jolle on tunnusomaista suurempi vastus, tulkitaan "1".
Tietoa voidaan kirjoittaa soluihin useilla eri tavoilla. Yksinkertaisimmassa tapauksessa jokainen solu sijaitsee kahden suorassa kulmassa toisiinsa nähden sijoitetun tietueviivan välissä, yksi solun yläpuolella ja toinen alapuolella. Kun virta kulkee niiden läpi, kirjoitusviivojen leikkauspisteeseen indusoituu magneettikenttä , joka vaikuttaa uudelleenkirjoitettavaan kerrokseen. Samaa tallennusmenetelmää käytettiin magneettisydänmuistissa, jota käytettiin 1960-luvulla. Tämä menetelmä vaatii melko paljon virtaa kentän synnyttämiseen, ja tämä tekee niistä kovin sopivia kannettaviin laitteisiin, joissa alhainen virrankulutus on tärkeää, tämä on yksi MRAM: n tärkeimmistä haitoista. Lisäksi sirujen koon pienentyessä tulee aika, jolloin indusoitu kenttä menee päällekkäin naapurisolujen kanssa pienellä alueella, mikä johtaa mahdollisiin kirjoitusvirheisiin. Tästä johtuen tällaisessa MRAM-muistissa on käytettävä riittävän suurikokoisia soluja. Yksi kokeellinen ratkaisu tähän ongelmaan oli jättiläismäisen reluktanssiefektin lukemien ja kirjoittamien pyöreiden verkkotunnusten käyttö , mutta tämänsuuntaista tutkimusta ei enää tehdä.
Toinen lähestymistapa - tilanvaihto - käyttää monivaiheista tallennusta modifioidun monikerroksisen solun kanssa. Kennoa on muunnettu sisältämään keinotekoisen antiferromagneetin , jossa magneettinen suuntaus vaihtelee edestakaisin pinnan poikki, ja molemmat (kiinnittyneet ja vapaat) kerrokset koostuvat monikerroksisista pinoista, jotka on eristetty ohuella "sidoskerroksella". Tuloksena olevilla kerroksilla on vain kaksi stabiilia tilaa, jotka voidaan vaihtaa yhdestä toiseen ajoittamalla kirjoitusvirta kahdelle juovalle, joten toinen viivästyy hieman, jolloin kenttää "kierretään". Mikä tahansa jännite, joka on pienempi kuin täysi kirjoitustaso, itse asiassa lisää sen kytkentävastusta. Tämä tarkoittaa, että yhden tallennuslinjan varrella sijaitsevat solut eivät ole alttiina tahattoman magnetoinnin käänteiselle vaikutukselle, mikä mahdollistaa pienempien solukokojen käytön.
Uusi spin-momentinsiirtotekniikka (spin-torque-transfer-STT) tai spin-siirtokytkentä käyttää elektroneja , joilla on tietty spin-tila ("polarisoitu"). Kulkiessaan vapaan ferromagneettisen kerroksen läpi niiden vääntömomentti siirtyy tämän kerroksen magnetointiin ja suuntaa sen uudelleen. Tämä vähentää virran määrää, joka tarvitaan tietojen kirjoittamiseen muistisoluun, ja lukemisen ja kirjoittamisen kulutus tulee suunnilleen samaksi. STT-tekniikan pitäisi ratkaista ne ongelmat, joita "klassinen" MRAM-tekniikka kohtaa kasvavan muistisolutiheyden ja vastaavan tallennuksen vaatiman virran lisääntymisen myötä. Siksi STT-tekniikka on merkityksellinen käytettäessä 65 nm tai vähemmän prosessia. Haittapuolena on, että STT tarvitsee tällä hetkellä enemmän virtaa ohjatakseen transistorin vaihtoon kuin perinteinen MRAM, mikä tarkoittaa, että tarvitaan suuri transistori ja tarve ylläpitää pyörimiskoherenssia . Yleisesti ottaen tästä huolimatta STT vaatii paljon vähemmän kirjoitusvirtaa kuin tavallinen tai kytkin-MRAM.
Muita mahdollisia tapoja kehittää magnetoresistiivistä muistitekniikkaa ovat lämpökytkentätekniikka (TAS-Thermal Assisted Switching), jossa kirjoitusprosessin aikana magneettinen tunneliliitos lämpenee nopeasti (kuten PRAM) ja pysyy vakaana alemmassa lämpötilassa loppuajan. sekä vertikaalinen kuljetustekniikka (VMRAM-vertikaalinen kuljetus MRAM), jossa pystypylväiden läpi kulkeva virta muuttaa magneettista suuntausta, ja tällainen muistisolujen geometrinen järjestely vähentää satunnaisen magnetoinnin käänteisongelmaa ja voi siten lisätä mahdollinen solutiheys.
Muistisirujen tuotantokustannukset riippuvat ensisijaisesti yksittäisten solujen sijoitustiheydestä. Mitä pienempi yksi kenno on, sitä enemmän niitä voidaan sijoittaa yhdelle sirulle ja vastaavasti yhdestä piikiekosta voidaan valmistaa suurempi määrä siruja kerrallaan. Tämä parantaa hyvien tuotteiden tuottoa ja alentaa mikropiirien valmistuskustannuksia.
DRAM - muistissa kondensaattoreita käytetään muistielementteinä , johtimet kuljettavat virtaa niihin ja niistä pois ja ohjaustransistorit ovat "1T / 1C" -tyyppisiä soluja. Kondensaattori koostuu kahdesta pienestä metallilevystä, jotka erotetaan ohuella eristekerroksella, se voidaan tehdä niin pieneksi kuin teknologisen prosessin nykyinen kehitys sallii. DRAM-muistilla on suurin solutiheys kaikista tällä hetkellä saatavilla olevista muistityypeistä verrattuna esimerkiksi SRAM -muistiin . Useimpien nykyaikaisten DRAM-muistisirujen solukoko on 32 x 20 nm. Tämä tekee siitä halvimman, minkä vuoksi sitä käytetään tietokoneiden pääRAM-muistina.
MRAM-muistisolu on rakenteeltaan samanlainen kuin DRAM-solu, vaikka se ei joskus käytä transistoria tietojen kirjoittamiseen. Kuitenkin, kun MRAM-elementtien lineaariset mitat pienenevät, on mahdollista, että vierekkäiset solut menevät päällekkäin ulkoisen magneettikentän ja väärien tietojen tallentamisen vuoksi (puolivalinnan tai tallennusrikkomusten vaikutus). Tästä esteestä johtuen solun koko on perinteisessä MRAM-tekniikassa rajoitettu alle 180 nm:iin [5] . Mode-switched MRAM-tekniikkaa käyttämällä voidaan saavuttaa paljon pienempi solukoko ennen kuin puolivalinnan vaikutus tulee ongelmaksi, noin 90 nm [6] . Nämä ominaisuudet ovat riittävän hyviä tuotantoon otettavaksi, ja on mahdollista saavuttaa magnetoresistiivisen muistin koko, joka on 65 nm tai pienempi.
Vain yksi nykyaikainen muistitekniikka voi kilpailla nopeudessa magnetoresistiivisen muistin kanssa. Tämä on staattista muistia tai SRAM-muistia . SRAM-muistisolut ovat kiikkuja , jotka säilyttävät toisen kahdesta tilasta niin kauan kuin energiaa syötetään. Jokainen flip-flop koostuu useista transistoreista. Koska transistoreilla on erittäin alhainen virrankulutus, niiden kytkentäaika on hyvin lyhyt. Mutta koska SRAM-muistisolu koostuu useista transistoreista – yleensä neljästä tai kuudesta – sen pinta-ala on suurempi kuin DRAM-tyyppisen muistisolun. Tämä tekee SRAM:sta kalliimpaa, joten sitä käytetään vain pieniä määriä erityisen nopeana muistina, kuten välimuisti ja prosessorirekisterit useimmissa nykyaikaisissa keskusyksiköiden malleissa . Emme myöskään saa unohtaa, että jo nyt prosessorit tekevät useita välimuistitasoja eri nopeuksilla ja eri kokoisilla.
Koska DRAM-siruissa käytetyt kondensaattorit menettävät latauksensa ajan myötä, niitä käyttävien muistisirujen on ajoittain päivitettävä kaikkien solujen sisältö, luettava jokainen solu ja ylikirjoitettava sen sisältö. Tämä vaatii jatkuvaa virtalähdettä, joten heti kun tietokoneen virta katkaistaan, DRAM-muisti menettää kaikki tallennetut tiedot. Mitä pienempi muistisolu on, sitä enemmän päivitysjaksoja tarvitaan, ja sen seurauksena virrankulutus kasvaa.
Toisin kuin DRAM, MRAM ei vaadi jatkuvaa päivitystä. Tämä ei tarkoita vain sitä, että muisti säilyttää siihen kirjoitetut tiedot, kun virta katkaistaan, vaan myös sitä, että lukemisen tai kirjoitusten puuttuessa energiaa ei kuluteta lainkaan. Vaikka MRAM:n pitäisi teoriassa kuluttaa enemmän virtaa kuin DRAM:ia luettaessa tietoa, käytännössä lukuvirrankulutus on lähes sama. Kirjoitusprosessi vaatii kuitenkin 3-8 kertaa enemmän energiaa kuin lukeminen, tämä energia kuluu magneettikentän muuttamiseen. Vaikka tarkka säästetty energiamäärä riippuu työn luonteesta - useammin kirjoittaminen vaatii enemmän energiaa - yleensä odotetaan pienempää virrankulutusta (jopa 99 % vähemmän) verrattuna DRAM -muistiin . STT MRAM -tekniikalla virrankulutus kirjoittamiseen ja lukemiseen on suunnilleen sama, ja kokonaisvirrankulutus on vielä pienempi.
Magnetoresistiivistä muistia voidaan verrata toiseen kilpailevaan muistityyppiin, flash-muistiin . Kuten magnetoresistinen muisti, flash-muisti on haihtumaton. Flash-muisti ei menetä tietoja, kun virta katkaistaan, joten se on erittäin kätevä kiintolevyjen vaihtamiseen kannettavissa laitteissa, kuten digitaalisissa soittimissa tai digitaalikameroissa. Tietoja luettaessa flash-muisti ja MRAM ovat lähes samat virrankulutuksen suhteen. Tietojen kirjoittamiseen flash-muistisiruihin tarvitaan kuitenkin voimakas jännitepulssi (noin 10 V), joka kertyy tietyn ajan kuluttua, kun lataus pumpataan - tämä vaatii paljon energiaa ja aikaa. Lisäksi virtapulssi tuhoaa fyysisesti flash-muistisolut, ja flash-muistiin voidaan kirjoittaa vain rajoitettu määrä kertoja, ennen kuin muistisolu epäonnistuu.
Toisin kuin flash-muisti , MRAM-sirut tarvitsevat vähän enemmän energiaa kirjoittaakseen kuin lukemiseen. Mutta samaan aikaan ei ole tarpeen nostaa jännitettä, eikä latausta tarvita. Tämä johtaa nopeampiin toimiin, pienempään virrankulutukseen eikä käyttöikää rajoita. Flash-muistin odotetaan olevan ensimmäinen muistisirutyyppi, joka lopulta korvataan MRAMilla.
DRAM-muistin nopeutta rajoittaa nopeus, jolla kennoihin tallennettu varaus voidaan tyhjentää (lukemista varten) tai kerätä (kirjoitusta varten). MRAM-toiminta perustuu jännitteen mittaukseen, mikä on parempi kuin virroilla käyttö, koska transientit ovat nopeampia. Belgialaisen IMEC-instituutin tutkijat ovat osoittaneet SAT-MRAM-laitteita, joiden pääsyajat ovat luokkaa 0,2 ns (210 pikosekuntia) [7] , mikä on huomattavasti parempia kuin edistyneimmät DRAM- ja SRAM-muistit. Edut Flash-muistiin verrattuna ovat merkittävämpiä - niiden lukuaika on lähes sama, mutta kirjoitusaika MRAMissa on kymmeniä tuhansia kertoja lyhyempi.
Nykyaikainen magnetoresistiivinen muisti on nopeampi kuin SRAM-muisti, se on varsin mielenkiintoinen tässä ominaisuudessa. Sen tiheys on suurempi, ja prosessorisuunnittelijat voisivat tulevaisuudessa valita välimuistin käyttöön suuremman määrän hitaampaa MRAM-muistia ja pienemmän määrän nopeampaa SRAM -muistia.
Magnetoresistiivisen muistin nopeus on verrattavissa SRAM -muistiin , sama solutiheys, mutta vähemmän virrankulutusta kuin DRAM-muisti , se on nopeampi eikä kärsi ajan mittaan flash-muistiin verrattuna . Tämä ominaisuuksien yhdistelmä voi tehdä siitä "yleismuistin", joka pystyy korvaamaan SRAM-, DRAM- ja EEPROM- ja Flash-muistit. Tämä selittää sen kehittämiseen tähtäävien tutkimusten suuren määrän.
Tietenkään tällä hetkellä MRAM ei ole vielä valmis laajaan käyttöön. Valtava kysyntä flash-muistimarkkinoilla pakottaa valmistajat ottamaan aggressiivisesti käyttöön uusia valmistusprosesseja. Uusimmat tehtaat, kuten Samsungin 16 Gt:n flash-muistipiirit, käyttävät 50 nm :n prosessia . Vanhemmat tuotantolinjat tuottavat DDR2 DRAM -muistisiruja käyttämällä edellisen sukupolven 90 nm prosessitekniikkaa.
Magneettiresistiivinen muisti on edelleen suurelta osin "kehityksessä" ja valmistettu vanhentuneilla valmistusprosesseilla. Koska flash-muistin kysyntä ylittää tällä hetkellä tarjonnan, kestää kauan, ennen kuin yritys päättää muuttaa yhden huippuluokan tuotantolaitoksensa valmistamaan magnetoresistiivisiä muistisiruja. Mutta tässäkin tapauksessa magnetoresistiivisen muistin suunnittelu häviää tällä hetkellä flash-muistille solukoon suhteen, vaikka käytettäisiin samoja teknisiä prosesseja.
Toinen aktiivisesti kehitteillä oleva nopea muisti on Antifuse ROM. Kerran ohjelmoitavana se soveltuu vain muuttumattomille ohjelmille ja datalle, mutta nopeudeltaan se mahdollistaa myös toiminnan välittömällä prosessorin taajuudella, kuten SRAM ja MRAM. Antifuse ROM otetaan aktiivisesti käyttöön ohjaimissa ja FPGA:issa, joissa ohjelmistotuote on kiinteä osa laitteistoa. Antifuse ROM -kennot ovat mahdollisesti kompaktimpia, teknisesti edistyneempiä ja halvempia kuin MRAM-kennot, mutta tätä mahdollisuutta ei myöskään julkisteta, kuten MRAM. Ottaen huomioon, että monet käyttäjät käyttävät usein flash-asemia esimerkiksi valokuvien arkistointiin, joille flash-muistia ei ole tarkoitettu useiksi vuosiksi monien vuosien latauksen säilyvyyden ongelmien vuoksi, eli flash-muistin käyttäminen ROM-levynä, Antifuse-kuluttajamarkkinoilla. ROM, joka on eräänlainen CD-R:n seuraaja, voi myös luottaa "markkinoiden jakamiseen" MRAM:n kanssa.
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2016
2017
2018
2019
MRAM-muistia on tarkoitus käyttää laitteissa, kuten: