Memoria cu acces aleatoriu magnetorezistiv (MRAM - ing. memorie cu acces aleator magnetoresistiv ) este un dispozitiv de stocare cu acces aleator bazat pe supape de rotație . Stochează informații folosind momente magnetice mai degrabă decât sarcini electrice .
Avantajul acestui tip de memorie este non- volatilitatea , adică capacitatea de a reține informațiile înregistrate (de exemplu, contextele programului sarcinilor din sistem și starea întregului sistem) în absența puterii externe.
Tehnologia memoriei magnetorezistive este în curs de dezvoltare încă din anii 1990. În comparație cu producția în creștere de alte tipuri de memorie pentru computer, în special memorie flash și memorie DRAM , aceasta nu este încă disponibilă pe scară largă pe piață. Cu toate acestea, susținătorii săi cred că, datorită unui număr de avantaje, poate înlocui alte tipuri de memorie de computer și poate deveni o bază cu adevărat „universală” pentru dispozitivele de stocare. Variantele moderne ale memoriei magnetorezistive sunt produse în prezent STT-MRAM ( cuplu de transfer de spin MRAM , înregistrarea datelor folosind transferul de impuls de spin) [1] și SOT-MRAM promițătoare (MRAM de cuplu de spin-orbită, înregistrarea datelor folosind momentul de rotație de spin-orbita) [ 1] 2] [3] .
Din 2013, producția în masă a microcipurilor și a celulelor de memorie MRAM încorporate în Rusia a fost realizată la Moscova la uzina Crocus Nanoelectronics. [patru]
Spre deosebire de alte tipuri de dispozitive de stocare, informațiile din memoria magnetorezistivă sunt stocate nu sub formă de sarcini electrice sau curenți, ci în elemente de memorie magnetică . Elementele magnetice sunt formate din două straturi feromagnetice separate de un strat dielectric subțire . Unul dintre straturi este un magnet permanent , magnetizat într-o anumită direcție, iar magnetizarea celuilalt strat se modifică sub influența unui câmp extern. Dispozitivul de memorie este organizat pe principiul unei grile constând din „celule” separate care conțin un element de memorie și un tranzistor.
Citirea informațiilor se realizează prin măsurarea rezistenței electrice a celulei. O celulă individuală este (de obicei) selectată prin alimentarea tranzistorului corespunzător , care furnizează curent de la sursa de alimentare prin celula de memorie la masa comună a cipului. Datorită efectului magnetoresistenței tunelare , rezistența electrică a celulei variază în funcție de orientarea reciprocă a magnetizărilor din straturi. Prin mărimea curentului care curge, se poate determina rezistența unei celule date și, în consecință, polaritatea stratului reinscriptibil. De obicei, aceeași orientare a magnetizării în straturile unui element este interpretată ca „0”, în timp ce direcția opusă de magnetizare a straturilor, caracterizată printr-o rezistență mai mare, este interpretată ca „1”.
Informațiile pot fi scrise în celule într-o varietate de moduri. În cel mai simplu caz, fiecare celulă se află între două linii de înregistrare plasate în unghi drept una față de cealaltă, una deasupra și alta sub celulă. Când un curent trece prin ele, în punctul de intersecție al liniilor de scriere este indus un câmp magnetic , care afectează stratul reinscriptibil. Aceeași metodă de înregistrare a fost folosită în memoria cu miez magnetic, care a fost folosită în anii 1960. Această metodă necesită destul de mult curent pentru a genera câmpul, iar acest lucru le face să nu fie foarte potrivite pentru dispozitivele portabile unde consumul redus de energie este important, acesta fiind unul dintre principalele dezavantaje ale MRAM. În plus, odată cu scăderea dimensiunii cipurilor, va veni momentul în care câmpul indus se va suprapune pe celule învecinate într-o zonă mică, ceea ce va duce la posibile erori de scriere. Din acest motiv, în acest tip de memorie MRAM trebuie utilizate celule de o dimensiune suficient de mare. O soluție experimentală la această problemă a fost utilizarea domeniilor circulare citite și scrise de efectul de reticență gigant , dar cercetările în această direcție nu se mai desfășoară.
O altă abordare - comutarea modului - folosește înregistrarea în mai mulți pași cu o celulă multistrat modificată. Celula este modificată pentru a conține un antiferomagnet artificial în care orientarea magnetică alternează înainte și înapoi de-a lungul suprafeței, cu ambele straturi (atașate și libere) formate din stive multistrat izolate printr-un „strat de legătură” subțire. Straturile rezultate au doar două stări stabile, care pot fi comutate de la una la alta prin cronometrarea curentului de scriere pe cele două linii, astfel încât una este întârziată puțin, astfel „rotind” câmpul. Orice tensiune mai mică decât nivelul complet de scriere își crește de fapt rezistența la comutare. Aceasta înseamnă că celulele situate de-a lungul uneia dintre liniile de înregistrare nu vor fi supuse efectului inversării neintenționate a magnetizării, permițând utilizarea celulelor de dimensiuni mai mici.
Noua tehnologie de transfer de cuplu de spin (spin-torque-transfer-STT) sau comutare cu transfer de spin utilizează electroni cu o stare de spin dată ("polarizată"). Trecând printr-un strat feromagnetic liber, cuplul lor este transferat la magnetizarea acestui strat și îl reorientează. Acest lucru reduce cantitatea de curent necesară pentru a scrie informații într-o celulă de memorie, iar consumul pentru citire și scriere devine aproximativ același. Tehnologia STT ar trebui să rezolve problemele cu care tehnologia „clasică” MRAM se va confrunta cu creșterea densității celulelor de memorie și o creștere corespunzătoare a curentului necesar pentru înregistrare. Prin urmare, tehnologia STT va fi relevantă atunci când se utilizează un proces de 65 nm sau mai puțin. Dezavantajul este că STT are nevoie în prezent de mai mult curent pentru a conduce tranzistorul la comutare decât MRAM convențional, ceea ce înseamnă că este necesar un tranzistor mare și necesitatea de a menține coerența rotațională . În general, în ciuda acestui fapt, STT necesită mult mai puțin curent de scriere decât MRAM obișnuit sau comutator.
Alte modalități posibile de a dezvolta tehnologia memoriei magnetorezistive sunt tehnologia de comutare termică (TAS-Thermal Assisted Switching), în care în timpul procesului de scriere joncțiunea tunelului magnetic se încălzește rapid (ca PRAM) și rămâne stabilă la o temperatură mai scăzută în restul timpului, precum și tehnologia de transport vertical (VMRAM-vertical transport MRAM), în care curentul care trece prin coloanele verticale modifică orientarea magnetică, iar o astfel de aranjare geometrică a celulelor de memorie reduce problema inversării aleatoare a magnetizării și, în consecință, poate crește posibilă densitate celulară.
Costul de producție a cipurilor de memorie depinde în primul rând de densitatea de plasare a celulelor individuale în el. Cu cât dimensiunea unei celule este mai mică, cu atât mai multe dintre ele pot fi plasate pe un cip și, în consecință, un număr mai mare de cipuri poate fi produs la un moment dat dintr-o placă de siliciu. Acest lucru îmbunătățește randamentul produselor bune și reduce costul de fabricație a microcircuitelor.
În memoria DRAM , condensatorii sunt utilizați ca elemente de memorie , conductorii transportă curent către și de la ei, iar tranzistoarele de control sunt o celulă de tip „1T / 1C”. Condensatorul este format din două plăci mici de metal separate printr-un strat dielectric subțire, poate fi realizat atât de mic cât permite dezvoltarea actuală a procesului tehnologic. Memoria DRAM are cea mai mare densitate de celule dintre orice tip de memorie disponibil în prezent, în comparație cu SRAM , de exemplu . Cele mai multe cipuri de memorie DRAM moderne au o dimensiune a celulei de 32 pe 20 nm. Acest lucru îl face cel mai ieftin, motiv pentru care este folosit ca principală memorie RAM a computerelor.
O celulă de memorie MRAM este similară ca design cu o celulă DRAM, deși uneori nu folosește un tranzistor pentru a scrie informații. Cu toate acestea, pe măsură ce dimensiunile liniare ale elementelor MRAM scad, există posibilitatea suprapunerii celulelor adiacente printr-un câmp magnetic extern și înregistrarea datelor false (efectul semi-selecției sau încălcările înregistrării). Datorită acestui obstacol, dimensiunea celulei în tehnologia MRAM convențională este limitată de mai jos la 180 nm [5] . Folosind tehnologia MRAM cu comutare de mod, se poate obține o dimensiune mult mai mică a celulei înainte ca efectul de semi-selecție să devină o problemă, în jur de 90 nm [6] . Acestea sunt caracteristici suficient de bune pentru a fi introduse în producție și există perspective pentru obținerea unei dimensiuni a memoriei magnetorezistive de 65 nm sau mai puțin.
Doar o singură tehnologie modernă de memorie poate concura în viteză cu memoria magnetorezistivă. Aceasta este memoria statică sau SRAM . Celulele de memorie SRAM sunt flip- flops care stochează una dintre cele două stări atâta timp cât este furnizată energia. Fiecare flip-flop este format din mai multe tranzistoare. Deoarece tranzistoarele au un consum foarte mic de energie, timpul lor de comutare este foarte scurt. Dar pentru că o celulă de memorie SRAM este alcătuită din mai multe tranzistoare - de obicei patru sau șase - aria sa este mai mare decât cea a unei celule de memorie de tip DRAM. Acest lucru face ca SRAM să fie mai scump, deci este folosit doar în cantități mici, ca memorie deosebit de rapidă, cum ar fi memoria cache și registrele procesorului în majoritatea modelelor moderne de unități centrale de procesare . De asemenea, nu trebuie să uităm că și acum procesoarele realizează mai multe niveluri de memorie cache cu viteze și dimensiuni diferite.
Deoarece condensatorii folosiți în cipurile DRAM își pierd încărcarea în timp, cipurile de memorie care le folosesc trebuie să actualizeze periodic conținutul tuturor celulelor, citind fiecare celulă și suprascriind conținutul acesteia. Acest lucru necesită o sursă de alimentare constantă, astfel încât, de îndată ce alimentarea computerului este oprită, memoria DRAM pierde toate informațiile stocate. Cu cât celula de memorie este mai mică, cu atât sunt necesare mai multe cicluri de reîmprospătare și, în consecință, consumul de energie crește.
Spre deosebire de DRAM, MRAM nu necesită actualizare constantă. Aceasta înseamnă nu numai că memoria reține informațiile scrise în ea atunci când este oprită alimentarea, ci și că, în absența citirilor sau scrierilor, nu se consumă deloc energie. Deși teoretic MRAM ar trebui să consume mai multă putere decât DRAM atunci când citiți informații, în practică, consumul de energie citită este aproape același. Cu toate acestea, procesul de scriere necesită de 3-8 ori mai multă energie decât citirea, această energie este cheltuită pentru modificarea câmpului magnetic. Deși cantitatea exactă de energie economisită depinde de natura lucrării - scrierile mai frecvente vor necesita mai multă energie - în general, este de așteptat un consum de energie mai mic (cu până la 99% mai puțin) în comparație cu DRAM . Cu tehnologia STT MRAM, consumul de energie pentru scriere și citire este aproximativ același, iar consumul general de energie este și mai mic.
Se poate compara memoria magnetorezistivă cu un alt tip concurent de memorie, memoria flash . Ca și memoria magnetorezistivă, memoria flash este nevolatilă. Memoria flash nu pierde informații atunci când alimentarea este oprită, ceea ce o face foarte convenabilă pentru înlocuirea hard disk-urilor în dispozitive portabile, cum ar fi playere digitale sau camere digitale. Când citiți informații, memoria flash și MRAM sunt aproape aceleași în ceea ce privește consumul de energie. Cu toate acestea, pentru a scrie informații în cipurile de memorie flash , este necesar un impuls puternic de tensiune (aproximativ 10 V), care se acumulează după un anumit timp când încărcarea este pompată - acest lucru necesită multă energie și timp. În plus, pulsul curent distruge fizic celulele de memorie flash, iar informațiile din memoria flash pot fi scrise doar de un număr limitat de ori înainte ca celula de memorie să se defecteze.
Spre deosebire de memoria flash , cipurile MRAM necesită puțin mai multă energie pentru a scrie decât pentru a citi. Dar, în același timp, nu este necesară creșterea tensiunii și nu este necesară pomparea de încărcare. Acest lucru duce la operațiuni mai rapide, consum mai mic de energie și fără limită de viață. Se așteaptă ca memoria flash să fie primul tip de cip de memorie care va fi înlocuit în cele din urmă de MRAM.
Viteza memoriei DRAM este limitată de viteza cu care încărcarea stocată în celule poate fi drenată (pentru citire) sau acumulată (pentru scriere). Funcționarea MRAM se bazează pe măsurarea tensiunii, care este de preferat funcționării cu curenți, deoarece tranzitorii sunt mai rapidi. Cercetătorii de la institutul belgian IMEC au demonstrat dispozitive SAT-MRAM cu timpi de acces de ordinul a 0,2 ns (210 picosecunde) [7] , ceea ce este vizibil mai bun chiar și decât cele mai avansate DRAM și SRAM. Avantajele comparativ cu memoria flash sunt mai semnificative - durata lor de citire este aproape aceeași, dar durata de scriere în MRAM este de zeci de mii de ori mai mică.
Memoria magnetorezistivă modernă este mai rapidă decât memoria SRAM, este destul de interesantă în această capacitate. Are o densitate mai mare, iar designerii de procesoare ar putea alege în viitor între o cantitate mai mare de MRAM mai lentă și o cantitate mai mică de SRAM mai rapidă pentru utilizarea cache -ului.
Memoria magnetorezistivă are o viteză comparabilă cu cea a memoriei SRAM , aceeași densitate de celule, dar un consum mai mic de energie decât memoria DRAM , este mai rapidă și nu suferă degradare în timp în comparație cu memoria flash . Această combinație de proprietăți o poate face o „memorie universală” capabilă să înlocuiască SRAM, DRAM și EEPROM și Flash. Așa se explică numărul mare de studii care vizează dezvoltarea sa.
Desigur, în acest moment MRAM nu este încă pregătit pentru utilizare pe scară largă. Cererea uriașă pe piața memoriei flash obligă producătorii să introducă în mod agresiv noi procese de producție. Cele mai recente fabrici, cum ar fi cipurile de memorie flash de 16 GB de la Samsung, folosesc procesul de 50 nm . Liniile de producție mai vechi produc cipuri de memorie DDR2 DRAM folosind tehnologia de proces de 90 nm din generația anterioară.
Memoria magnetorezistivă este încă în mare parte „în dezvoltare” și fabricată folosind procese de fabricație învechite. Deoarece cererea de memorie flash depășește în prezent oferta, o companie va dura mult timp să decidă să transforme una dintre fabricile sale de producție de ultimă generație la fabricarea de cipuri de memorie magnetorezistive. Dar chiar și în acest caz, designul memoriei magnetorezistive pierde în prezent în fața memoriei flash în ceea ce privește dimensiunea celulei, chiar și atunci când se utilizează aceleași procese tehnologice.
O altă memorie de mare viteză care se află în curs de dezvoltare activă este Antifuse ROM. Fiind programabil o singura data, este potrivit doar pentru programe si date imuabile, dar din punct de vedere al vitezei permite si functionarea la frecventa imediata a procesorului, asemanator cu SRAM si MRAM. ROM-ul antifuzibil este implementat activ în controlere și FPGA, unde produsul software este parte integrantă a hardware-ului. Celulele ROM antifuziune sunt potențial mai compacte, mai avansate din punct de vedere tehnologic și mai ieftine decât celulele MRAM, dar nici această perspectivă nu este dezvăluită, similar cu MRAM. Având în vedere că mulți utilizatori folosesc adesea unități flash pentru arhivarea, de exemplu, fotografii, pentru care memoria flash nu este destinată de mulți ani din cauza problemelor de reținere a încărcăturii de mulți ani, adică folosind efectiv memoria flash ca ROM, pe piața de consum Antifusible ROM-ul, fiind un fel de succesor al CD-R, poate conta și pe „sharing the market” cu MRAM.
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2016
2017
2018
2019
Memoria MRAM ar trebui să fie utilizată în dispozitive precum: