Magnetoresistive random access memory (MRAM - eng. magnetoresistive random-access memory ) er en random access lagerenhed baseret på spin ventiler . Gemmer information ved hjælp af magnetiske momenter i stedet for elektriske ladninger .
Fordelen ved denne type hukommelse er ikke- volatilitet , det vil sige evnen til at bevare optaget information (for eksempel programkontekster for opgaver i systemet og tilstanden af hele systemet) i fravær af ekstern strøm.
Magnetoresistiv hukommelsesteknologi har været under udvikling siden 1990'erne. Sammenlignet med den voksende produktion af andre typer computerhukommelse, især flashhukommelse og DRAM-hukommelse , er den endnu ikke bredt tilgængelig på markedet. Men dets tilhængere mener, at det på grund af en række fordele kan erstatte andre typer computerhukommelse og blive et virkelig "universelt" grundlag for lagerenheder. Moderne varianter af magnetoresistiv hukommelse er i øjeblikket produceret STT-MRAM ( spin-overførselsmoment MRAM , dataregistrering ved hjælp af spin-momentum-overførsel) [1] og lovende SOT-MRAM (spin-orbit-moment MRAM, dataregistrering ved hjælp af spin-orbit rotationsmoment) [ 2] [3] .
Siden 2013 er masseproduktion af mikrochips og indlejrede MRAM-hukommelsesceller i Rusland blevet udført i Moskva på Crocus Nanoelectronics-fabrikken. [fire]
I modsætning til andre typer lagringsenheder lagres information i magnetoresistiv hukommelse ikke i form af elektriske ladninger eller strømme, men i magnetiske hukommelseselementer. Magnetiske elementer er dannet af to ferromagnetiske lag adskilt af et tyndt dielektrisk lag . Et af lagene er en permanent magnet , magnetiseret i en bestemt retning, og magnetiseringen af det andet lag ændres under påvirkning af et eksternt felt. Hukommelsesenheden er organiseret efter princippet om et gitter bestående af separate "celler", der indeholder et hukommelseselement og en transistor.
Aflæsningen af information udføres ved at måle cellens elektriske modstand . En individuel celle vælges (normalt) ved at aktivere dens tilsvarende transistor , som leverer strøm fra strømforsyningen gennem hukommelsescellen til chippens fælles jord. På grund af effekten af tunnelmagnetoresistens varierer cellens elektriske modstand afhængigt af den gensidige orientering af magnetiseringerne i lagene. Ved størrelsen af den strømmende strøm kan man bestemme modstanden af en given celle og som følge heraf polariteten af det omskrivbare lag. Typisk fortolkes den samme orientering af magnetisering i lagene af et element som "0", mens den modsatte magnetiseringsretning af lagene, karakteriseret ved en højere modstand, fortolkes som "1".
Information kan skrives til celler ved hjælp af en række forskellige metoder. I det enkleste tilfælde ligger hver celle mellem to registreringslinjer placeret vinkelret på hinanden, en over og en under cellen. Når en strøm passerer gennem dem, induceres et magnetfelt i skæringspunktet mellem skrivelinjerne , hvilket påvirker det omskrivbare lag. Den samme optagemetode blev brugt i magnetisk kernehukommelse, som blev brugt i 1960'erne. Denne metode kræver ret meget strøm for at generere feltet, og det gør dem ikke særlig velegnede til bærbare enheder, hvor lavt strømforbrug er vigtigt, dette er en af de største ulemper ved MRAM. Derudover, med et fald i størrelsen af chips, vil tidspunktet komme, hvor det inducerede felt vil overlappe naboceller i et lille område, hvilket vil føre til mulige skrivefejl. På grund af dette skal celler af en tilstrækkelig stor størrelse bruges i denne type MRAM-hukommelse. En eksperimentel løsning på dette problem var brugen af cirkulære domæner læst og skrevet af den gigantiske modviljeeffekt , men forskning i denne retning udføres ikke længere.
En anden tilgang - modusskift - bruger flertrinsoptagelse med en modificeret flerlagscelle. Cellen er modificeret til at indeholde en kunstig antiferromagnet , hvor den magnetiske orientering veksler frem og tilbage over overfladen, med begge (vedhæftede og frie) lag, der består af flerlagsstabler, isoleret af et tyndt "bindingslag". De resulterende lag har kun to stabile tilstande, som kan skiftes fra den ene til den anden ved at tidsindstille skrivestrømmen på de to linjer, så den ene bliver forsinket lidt, og dermed "roterer" feltet. Enhver spænding mindre end det fulde skriveniveau øger faktisk dens modstand mod omskiftning. Dette betyder, at celler placeret langs en af optagelinjerne ikke vil blive udsat for virkningen af utilsigtet magnetiseringsvending, hvilket gør det muligt at bruge mindre cellestørrelser.
Den nye teknologi med spin-momentoverførsel (spin-torque-transfer-STT) eller spin-transfer switching bruger elektroner med en given spin-tilstand ("polariseret"). Når de passerer gennem et frit ferromagnetisk lag, overføres deres drejningsmoment til magnetiseringen af dette lag og omorienterer det. Dette reducerer mængden af strøm, der kræves for at skrive information til en hukommelsescelle, og forbruget til læsning og skrivning bliver omtrent det samme. STT-teknologien skulle løse de problemer, som den "klassiske" MRAM-teknologi vil møde med stigende hukommelsescelletæthed og en tilsvarende stigning i den strøm, der kræves til optagelse. Derfor vil STT-teknologi være relevant ved brug af en 65 nm proces eller mindre. Ulempen er, at STT i øjeblikket har brug for mere strøm for at drive transistoren til at skifte end konventionel MRAM, hvilket betyder, at der kræves en stor transistor og behovet for at opretholde rotationssammenhæng . På trods af dette kræver STT generelt meget mindre skrivestrøm end almindelig MRAM eller switch-MRAM.
Andre mulige måder at udvikle magnetoresistiv hukommelsesteknologi på er termisk koblingsteknologi (TAS-Thermal Assisted Switching), hvor den magnetiske tunnelforbindelse under skriveprocessen opvarmes hurtigt (som PRAM) og forbliver stabil ved en lavere temperatur resten af tiden, samt vertikal transportteknologi (VMRAM-vertical transport MRAM), hvor strømmen, der passerer gennem de vertikale søjler, ændrer den magnetiske orientering, og et sådant geometrisk arrangement af hukommelsesceller reducerer problemet med tilfældig magnetiseringsvending og kan følgelig øge mulig celletæthed.
Omkostningerne ved produktion af hukommelseschips afhænger primært af tætheden af placeringen af individuelle celler i den. Jo mindre størrelsen af en celle er, jo flere af dem kan placeres på en chip, og følgelig kan et større antal chips produceres ad gangen fra en siliciumwafer. Dette forbedrer udbyttet af gode produkter og reducerer omkostningerne ved fremstilling af mikrokredsløb.
I DRAM -hukommelse bruges kondensatorer som hukommelseselementer , ledere fører strøm til og fra dem, og kontroltransistorer er en celle af typen "1T / 1C". Kondensatoren består af to små metalplader adskilt af et tyndt dielektrisk lag, den kan laves så lille som den nuværende udvikling af den teknologiske proces tillader. DRAM-hukommelse har den højeste celletæthed af enhver tilgængelig hukommelsestype i øjeblikket sammenlignet med SRAM for eksempel . De fleste moderne DRAM-hukommelseschips har en cellestørrelse på 32 gange 20 nm. Dette gør den til den billigste, hvorfor den bruges som computerens primære RAM.
En MRAM-hukommelsescelle ligner designmæssigt en DRAM-celle, selvom den nogle gange ikke bruger en transistor til at skrive information. Men efterhånden som MRAM-elementernes lineære dimensioner falder, er der mulighed for at overlappe tilstødende celler med et eksternt magnetfelt og falsk dataregistrering (effekten af halv-selektion eller registreringsovertrædelser). På grund af denne forhindring er cellestørrelsen i konventionel MRAM-teknologi begrænset nedefra til 180 nm [5] . Ved hjælp af mode-switched MRAM-teknologi kan en meget mindre cellestørrelse opnås, før halv-selektionseffekten bliver et problem, omkring 90 nm [6] . Disse er gode nok egenskaber til at blive introduceret i produktionen, og der er udsigt til at opnå en magnetoresistiv hukommelsesstørrelse på 65 nm eller mindre.
Kun én moderne hukommelsesteknologi kan konkurrere i hastighed med magnetoresistiv hukommelse. Dette er statisk hukommelse eller SRAM . SRAM-hukommelsesceller er flip- flops , der gemmer en af to tilstande, så længe energien tilføres. Hver flip-flop består af flere transistorer. Da transistorer har et meget lavt strømforbrug, er deres koblingstid meget kort. Men fordi en SRAM-hukommelsescelle består af flere transistorer - normalt fire eller seks - er dens areal større end en hukommelsescelle af DRAM-typen. Dette gør SRAM dyrere, så det bruges kun i små mængder, da særligt hurtig hukommelse, såsom cachehukommelse og processorregistre i de fleste moderne modeller af centralenheder . Vi bør heller ikke glemme, at selv nu laver processorer flere niveauer af cachehukommelse med forskellige hastigheder og størrelser.
Da kondensatorerne, der bruges i DRAM-chips, mister deres ladning over tid, skal de hukommelseschips, der bruger dem, periodisk opdatere indholdet af alle celler, læse hver celle og overskrive dens indhold. Dette kræver en konstant strømforsyning, så så snart computerens strøm er slukket, mister DRAM-hukommelsen al gemt information. Jo mindre hukommelsescellen er, jo flere opdateringscyklusser er der behov for, og som et resultat stiger strømforbruget.
I modsætning til DRAM kræver MRAM ikke konstant opdatering. Det betyder ikke kun, at hukommelsen beholder den information, der er skrevet til den, når strømmen slukkes, men også, at der slet ikke forbruges energi i mangel af læsninger eller skrivninger. Selvom MRAM teoretisk set burde forbruge mere strøm end DRAM ved læsning af information, er det aflæste strømforbrug i praksis næsten det samme. Men skriveprocessen kræver 3-8 eller flere gange mere energi end læsning, denne energi bruges på at ændre magnetfeltet. Selvom den nøjagtige mængde energi, der spares, afhænger af arbejdets art - hyppigere skrivninger vil kræve mere energi - forventes der generelt et lavere strømforbrug (op til 99 % mindre) sammenlignet med DRAM . Med STT MRAM-teknologi er strømforbruget til skrivning og læsning omtrent det samme, og det samlede strømforbrug er endnu lavere.
Man kan sammenligne magnetoresistiv hukommelse med en anden konkurrerende type hukommelse, flash-hukommelse . Ligesom magnetoresistiv hukommelse er flashhukommelse ikke-flygtig. Flash-hukommelsen mister ikke information, når strømmen slukkes, hvilket gør det meget praktisk at udskifte harddiske i bærbare enheder såsom digitale afspillere eller digitale kameraer. Når man læser information, er flash-hukommelse og MRAM næsten det samme med hensyn til strømforbrug. Men for at skrive information i flash-hukommelseschips kræves en kraftig spændingsimpuls (ca. 10 V), som akkumuleres efter en vis tid, når ladningen pumpes - dette kræver meget energi og tid. Derudover ødelægger den aktuelle puls fysisk flashhukommelsescellerne, og information i flashhukommelsen kan kun skrives et begrænset antal gange, før hukommelsescellen svigter.
I modsætning til flash-hukommelse kræver MRAM-chips lidt mere energi at skrive end at læse. Men samtidig er det ikke nødvendigt at øge spændingen, og der kræves ingen ladningspumpning. Dette fører til hurtigere drift, lavere strømforbrug og ingen levetidsbegrænsning. Flash-hukommelse forventes at være den første type hukommelseschip, der i sidste ende bliver erstattet af MRAM.
Hastigheden af DRAM-hukommelse er begrænset af den hastighed, hvormed ladningen lagret i cellerne kan drænes (til læsning) eller akkumuleres (til skrivning). MRAM-drift er baseret på spændingsmåling, hvilket er at foretrække frem for drift med strøm, da transienter er hurtigere. Forskere fra det belgiske institut IMEC har demonstreret SAT-MRAM-enheder med adgangstider i størrelsesordenen 0,2 ns (210 picosekunder) [7] , hvilket er mærkbart bedre end selv de mest avancerede DRAM'er og SRAM'er. Fordelene sammenlignet med Flash-hukommelse er mere markante - deres læsevarighed er næsten den samme, men skrivevarigheden i MRAM er titusindvis af gange mindre.
Moderne magnetoresistiv hukommelse er hurtigere end SRAM-hukommelse, den er ret interessant i denne kapacitet. Den har en højere tæthed, og CPU- designere kunne i fremtiden vælge mellem en større mængde af den langsommere MRAM og en mindre mængde af den hurtigere SRAM til cachebrug .
Magneto-resistiv hukommelse har en hastighed, der kan sammenlignes med SRAM -hukommelse , den samme celletæthed, men mindre strømforbrug end DRAM-hukommelse , den er hurtigere og lider ikke under forringelse over tid sammenlignet med flash-hukommelse . Det er denne kombination af egenskaber, der kan gøre det til en "universel hukommelse", der er i stand til at erstatte SRAM, DRAM og EEPROM og Flash. Dette forklarer det store antal undersøgelser, der er rettet mod dets udvikling.
Selvfølgelig er MRAM endnu ikke klar til udbredt brug i øjeblikket. Kæmpe efterspørgsel på flash-hukommelsesmarkedet tvinger producenterne til aggressivt at introducere nye fremstillingsprocesser. De seneste fabrikker, såsom Samsungs 16 GB flash-hukommelseschips, bruger 50nm - processen . Ældre produktionslinjer producerer DDR2 DRAM-hukommelseschips ved hjælp af den tidligere generations 90nm procesteknologi.
Magneto-resistiv hukommelse er stadig stort set "i udvikling" og fremstillet ved hjælp af forældede fremstillingsprocesser. Da efterspørgslen efter flash-hukommelse i øjeblikket overstiger udbuddet, vil det tage lang tid for en virksomhed at beslutte sig for at konvertere en af sine avancerede produktionsanlæg til fremstilling af magnetoresistive hukommelseschips. Men selv i dette tilfælde taber designet af magnetoresistiv hukommelse i øjeblikket til flashhukommelse med hensyn til cellestørrelse, selv når man bruger de samme teknologiske processer.
En anden højhastighedshukommelse, der er under aktiv udvikling, er Antifuse ROM. Da den er programmerbar én gang, er den kun egnet til uforanderlige programmer og data, men med hensyn til hastighed tillader den også drift ved den umiddelbare processorfrekvens, svarende til SRAM og MRAM. Antifuse ROM implementeres aktivt i controllere og FPGA'er, hvor softwareproduktet er integreret i hardwaren. Antifuse ROM-celler er potentielt mere kompakte, mere teknologisk avancerede og billigere end MRAM-celler, men denne udsigt er heller ikke afsløret, ligesom MRAM. I betragtning af, at mange brugere ofte bruger flashdrev til arkivering af f.eks. fotografier, som flashhukommelsen ikke er beregnet til i mange år på grund af problemer med mange års ladningsopbevaring, dvs. faktisk bruger flashhukommelse som ROM, på forbrugermarkedet Antifuse ROM, der er en slags efterfølger til CD-R, kan også regne med at "dele markedet" med MRAM.
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2016
2017
2018
2019
MRAM-hukommelse formodes at blive brugt i enheder som: