MRAM — новое слово в создании микросхем памяти. Гигантское магнитосопротивление: от открытия до Нобелевской премии
Важнейшее преимущество этого типа памяти - энергонезависимость , то есть способность сохранять записанную информацию (например, программные контексты задач в системе и состояние всей системы) 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.
Описание
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».
Информацию можно записывать в ячейки, используя множество способов. В простейшем случае каждая ячейка лежит между двумя линиями записи, размещёнными под прямым углом друг к другу, одна над, а другая под ячейкой. Когда ток проходит через них, в точке пересечения линий записи наводится магнитное поле , которое воздействует на перезаписываемый слой. Такой же способ записи использовался в памяти на магнитных сердечниках, которая использовалась в 1960-х годах. Этот способ требует достаточно большого тока, необходимого для создания поля, и это делает их не очень подходящими для применения в портативных устройствах, для которых важно малое потребление энергии, это один из основных недостатков MRAM. Кроме того, с уменьшением размера микросхем придёт время, когда индуцированное поле перекроет соседние ячейки на маленькой площади, что приведёт к возможным ошибкам записи. Из-за этого в памяти MRAM данного типа необходимо использовать ячейки достаточно большого размера. Одним из экспериментальных решений этой проблемы было использование круглых доменов, читаемых и записываемых с помощью эффекта гигантского магнитного сопротивления , но исследования в этом направлении более не проводятся.
Другой подход, переключения режимов, использует многошаговую запись с модифицированной многослойной ячейкой. Ячейка модифицирована, содержит в себе искусственный антиферромагнетик , где магнитная ориентация чередуется назад и вперёд через поверхность, с обоими (прикреплённым и свободным) слоями, составленными из многослойных стеков изолированных тонким «соединяющим слоем». Результирующие слои имеют только два стабильных состояния, которые могут быть переключены из одного в другое выбором времени тока записи в двух линиях, так, одна немного задерживается, таким образом «поворачивая» поле. Любое напряжение, меньшее, чем полный уровень записи, фактически увеличивает его сопротивление для переключения. Это значит, что ячейки, расположенные вдоль одной из линий записи, не будут подвержены эффекту непреднамеренного перемагничивания, позволяя использовать меньшие размеры ячеек.
Новая технология переноса спинового момента (spin-torque-transfer-STT) или переключения с помощью переноса спина использует электроны с заданным состоянием спина («поляризованные»). Проходя через свободный ферромагнитный слой, их вращающий момент передается намагниченности этого слоя и переориентирует ее. Это уменьшает величину тока, необходимую для записи информации в ячейку памяти, а потребление при чтении и записи становится примерно одинаковым. Технология STT должна решить проблемы, с которыми «классическая» технология MRAM столкнётся при увеличении плотности размещения ячеек памяти и соответствующего увеличения тока, необходимого для записи. Поэтому технология STT будет актуальна при использовании технологического процесса 65 нм и менее. Отрицательная сторона состоит в том, что в настоящее время STT необходим бо{{подст:удар}}льший ток на управляющем транзисторе для переключения, чем обычной MRAM, а значит требуется большой транзистор и необходимость поддерживать когерентность вращения. В целом, несмотря на это, STT требует намного меньшего тока записи, чем обычная или переключательная MRAM.
Другими возможными путями развития технологии магниторезистивной памяти являются технология термического переключения (TAS-Thermal Assisted Switching), при которой во время процесса записи магнитный туннельный переход быстро нагревается (подобно PRAM) и в остальное время остается стабильным при более низкой температуре, а также технология вертикального транспорта (VMRAM-vertical transport MRAM), в которой ток, проходящий через вертикальные столбцы, меняет магнитную ориентацию, и такое геометрическое расположение ячеек памяти уменьшает проблему случайного перемагничивания и соответственно может увеличить возможную плотность размещения ячеек.
Сравнение с другими типами памяти
Плотность размещения элементов в микросхеме
Главным фактором, от которого зависит себестоимость производства микросхем памяти, является 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.
| - {{{description}}}.
| - «{{{quote}}}»{{#if: 2016-07-21 | }}
}}{{#if: 2016-07-21
| Проверено {{#iferror: {{#time: j xg Y | 2016-07-21 }} | 2016-07-21{{#if: | {{{accessyear}}} }} }}.
| Проверено {{#iferror: {{#time: j xg Y | {{{accessmonthday}}} }} | {{{accessmonthday}}}{{#if: | {{{accessyear}}} }} }}.
| Проверено {{#iferror: {{#time: j xg Y | {{{accessdaymonth}}} }} | {{{accessdaymonth}}}{{#if: | {{{accessyear}}} }} }}.
| [{{{archiveurl}}} Архивировано из первоисточника {{#iferror: {{#time: j xg Y | {{{archivedate}}} }} | {{{archivedate}}} }}].
Применение
Предполагается использовать память MRAM в таких устройствах, как:
- Аэрокосмические и военные системы
- Сотовые базовые станции
- Специальные устройства для регистрации данных (чёрные ящики)
См. также
Примечания
Неизвестный тег расширения «references»
Ссылки
- Новый чип уменьшит зависимость от электропитания / BBC Russian, июль 2006
Для улучшения этой статьи{{#if:Шаблон:Rq/topics/getcategory | Шаблон:Rq/topics/getcategory }} желательно :
{{#if:{{#if: checktranslate|
|
Магниторезистивная память MRAM - быстродействующие ОЗУ и ПЗУ в одной микросхеме
Михаил Соколов, инженер по применению, компания Freescale Semiconductor
Александр Гришин, инженер, МЭИ (ТУ)
Исследование магниторезистивных структур как энергонезависимых элементов для хранения информации началось еще в первой половине ХХ века. Но только летом 2006 г. была представлена первая в мире микросхема энергонезависимой памяти, использующая технологию MRAM.
В некоторых публикациях этот факт называют прорывом в области разработки памяти за последние 10 лет. Так ли это, и что из себя представляет магниторезистивная память - на эти вопросы отвечает данная статья. Также приводится подробное описание характеристик микросхемы MR2A16A - первого продукта в линейке памяти MRAM.
Технология MRAM - долгий путь к успеху
История создания магниторезистивной памяти MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) насчитывает уже не один десяток лет. В частности, в России также проводились работы по созданию магниторезистивной памяти для применения в военной и аэрокосмической областях. Однако практически все попытки создания серийной памяти MRAM не приводили к появлению надежного продукта, пригодного для серийного производства.
Такие крупные фирмы, как IBM, Cypress, Toshiba, Renesas, Hitachi, Mitsubishi, Motorola и др., работали над созданием памяти более 10 лет. Компания Motorola приступила к исследованиям в области магниторезистивных структур в 1995 г. совместно с агентством перспективных исследований МО США (DARPA US). После отделения всего сектора полупроводниковых компонентов от Motorola в 2004 г. уже независимая компания Freescale Semiconductor продолжила работы по доведению продукта до серийного производства. В результате 10 июля 2006 г. был анонсирован законченный коммерческий продукт, использующий технологию MRAM, - автономный модуль MR2A16A с объемом памяти 4 Мбит.
Магниторезистивная память является революционной технологией, обладающей всеми необходимыми свойствами для того, чтобы стать действительно универсальной. Кроме того, она имеет ряд уникальных особенностей, открывающих широкие рыночные перспективы.
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
| MRAM | SRAM | DRAM | FLASH | FRAM | |
| Скорость чтения | Высокая | Самая высокая | Средняя | Высокая | Высокая |
| Скорость записи | Высокая | Самая высокая | Средняя | Низкая | Средняя |
| Маштабируемость | Хорошая | Хорошая | Ограниченная | Ограниченная | Ограниченная |
| Плотность ячеек | Средняя/высокая | Низкая | Высокая | Средняя | Средняя |
| Энергонезависимость | Да | Нет | Нет | Да | Да |
| Число циклов стирания/записи | Неограниченное | Неограниченное | Неограниченное | Ограниченное | Ограниченное |
| Ток утечки ячеек | Низкий | Низкий/высокий | Высокий | Низкий | Низкий |
| Возможность работы при низких напряжениях | Да | Да | Ограниченная | Ограниченная | Ограниченная |
| Сложность производства | Средняя | Низкая | Средняя | Средняя | Средняя |
Энергонезависимая память EEPROM (ЭСППЗУ) на данный момент находится на последних стадиях своего жизненного цикла. Значительно более медленная скорость работы, а также ограниченное количество циклов перезаписи по сравнению с MRAM не позволяют использовать эту память в качестве оперативной. Она годится только для хранения кода программ либо данных, не требующих частого изменения либо обращения к ним.
Основным недостатком памяти типа Flash (флэш) является малое число циклов перезаписи. В зависимости от условий эксплуатации флэшпамять может быть перезаписана примерно 10 тыс. - 1 млн. раз прежде, чем битовая ячейка перестанет функционировать. В отличие от флэш-памяти, число циклов перезаписи памяти MRAM бесконечно благодаря принципиально другой технологии работы битовых ячеек. Здесь программирование происходит путем изменения полярности магнитных слоев, а данная операция не разрушает материал, из которого состоят ячейки памяти.
К другим недостаткам флэш-памяти стоит отнести низкую скорость записи, а также поблочный характер стирания/записи ячеек памяти. В MRAM можно выполнять любые операции над отдельными ячейками независимо. Кроме того, магниторезистивная память не требует предварительного стирания бита перед его перезаписью.
Динамическая память DRAM требует частой регенерации ячеек для сохранения данных, что приводит к повышенному потреблению электроэнергии и не позволяет использовать ее в качестве энергонезависимой памяти.
Статическая память SRAM не является энергонезависимой. К тому же, вследствие низкой плотности ячеек технология SRAM не позволяет создавать память значительного объема (десятки - сотни мегабит) в малом форм-факторе.
Статическую память с резервным батарейным питанием (Battery Backed SRAM) можно назвать универсальной памятью, но с существенными ограничениями. Встроенные батареи имеют ограниченный срок службы, лимитированную емкость вследствие компактных размеров батареи, а ее наличие в устройстве создает дополнительные проблемы при хранении, монтаже и эксплуатации памяти. Нельзя забывать и про сильную температурную зависимость характеристик батареи и дополнительные сложности при утилизации устройств.
Скорость записи/стирания памяти MRAM больше, чем у Battery Backed SRAM. Отсутствие батареи означает большую надежность и долговечность памяти MRAM, независимость ее рабочих характеристик от температуры во всем диапазоне, определенном производителем.
Энергонезависимая ферроэлектрическая память FRAM до недавнего времени наиболее полно соответствовала определению «универсальной памяти» из всех доступных на рынке серийно выпускаемых микросхем. Однако и у нее есть ряд недостатков, самый серьезный их которых заключается в большом размере ее ячеек. Благодаря усилиям разработчиков он постепенно приближается к физическому пределу, за которым дальнейшее уменьшение габаритов сопряжено с серьезными техническими и технологическими проблемами. Однако при этом ячейки остаются достаточно крупными, что не позволяет создавать микросхемы памяти большого объема с малыми габаритами. На сегодняшний день объем памяти микросхем FRAM составляет от единиц килобит до единиц мегабит. Производители предпринимают попытки создать память объемом десятки мегабит, однако серийное производство микросхем объемом 16, 32 либо 64 Мбит если и будет возможно, то не раньше чем через 3–5 лет.
Технология MRAM не накладывает ограничений на объем памяти. По сравнению с FRAM скорость чтения/ записи ячеек памяти MRAM ощутимо выше.
Модули памяти FRAM требуют повторной перезаписи данных в ячейки после считывания. Этот эффект связан с деградацией битовых ячеек памяти FRAM при операции чтения. Как следствие, это может привести к потере данных, если произойдет случайное отключение питания во время операции чтения, что для энергонезависимой памяти является очень существенным недостатком.
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.
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
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.
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 10 16), 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.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
« Южно-Уральский Государственный Университет »
Факультет « Энергетический »
Кафедра « ЭСИС »
Магниторезистивная оперативная память реферат по дисциплине« Информатика »
Проверил, (доцент) _______________ / Башмакова Н.Ю. / _______________ 20__г. Автор работы студент группы Э-164 _______________ / Кулагин А.Д. / _______________ 20__г. Реферат защищён с оценкой (прописью, цифрой) _____________________ _______________20__г.
Аннотация
Кулагин А.Д. Магниторезистивная оперативная память Э-164 13
Цель реферата – отразить процесс энергонезавсемости при отсутствии внешнего питания.
Задачи реферата – изучить свойства и назначения запоминающего устройства с произвольным доступом MRAM.
1 Введение 4
2 История создания технологии MRAM 5
3 Свойства магниторезистивной памяти 5
3.1 Преимущества 5
3.2 Недостатки 5
3.2.1 Сравнительные характеристики основных типов памяти 6
4 Структура и функционирование битовых ячеек MRAM 6
5 Микросхема памяти MR2A16A 8
5.1 Функции выводов MR2A16A 8
6 Области применения энергонезависимой памяти MRAM 9
7 Перспективы развития 10
8 Заключение 12
9 Библиографический список 13
Введение
Магниторезистивная оперативная память (MRAM) - запоминающее устройство с 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.
История создания технологии mram
История создания магниторезистивной памяти MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) насчитывает уже не один десяток лет. В частности, в России также проводились работы по созданию магниторезистивной памяти для применения в военной и аэрокосмической областях. Однако практически все попытки создания серийной памяти MRAM не приводили к появлению надежного продукта, пригодного для серийного производства.
Такие крупные фирмы, как IBM, Cypress, Toshiba, Renesas, Hitachi, Mitsubishi, Motorola и др., работали над созданием памяти более 10 лет. Компания Motorola приступила к исследованиям в области магниторезистивных структур в 1995 г. совместно с агентством перспективных исследований МО США (DARPA US). После отделения всего сектора полупроводниковых компонентов от Motorola в 2004 г. уже независимая компания Freescale Semiconductor продолжила работы по доведению продукта до серийного производства. В результате 10 июля 2006 г. был анонсирован законченный коммерческий продукт, использующий технологию MRAM, - автономный модуль MR2A16A с объемом памяти 4 Мбит.
Магниторезистивная память является революционной технологией, обладающей всеми необходимыми свойствами для того, чтобы стать действительно универсальной. Кроме того, она имеет ряд уникальных особенностей, открывающих широкие рыночные перспективы.
Свойства магниторезистивной памяти
Преимущества
энергонезависимость;
высокое быстродействие;
не требуется регенерация ячеек.
Недостатки
сложности с существующими способами записи;
большой размер ячейки памяти, из-за технологии записи;
высокое энергопотребление по той же причине.
Нанозернистые ферромагнетики успешно используют для записи и считывания больших компактных массивов информации не только на магнитных дисках, но и в оперативной памяти ЭВМ.
Элементарная ячейка новейшей магнитной памяти
Элементарной ячейкой такой памяти чаще всего является многослойная структура ( рис. 11.9), в которой объединены ферромагнитный запоминающий элемент и туннельный магниторезистивный датчик.
Рис.
11.9.
Ферромагнетик запоминающего слоя, хотя и имеет коэрцитивную силу, достаточную для того, чтобы долго сохранять записанную информацию, все же может быть перемагничен сильным внешним магнитным полем. Его в публикациях, касающихся магниторезистивной памяти, обычно называют "свободным" ферромагнитным слоем. А магнитожесткий слой выполняет функцию постоянного магнита, его коэрцитивная сила намного больше, и направление намагниченности даже в сильных полях остается неизменным. Соответственно его обычно называют "фиксированным" ферромагнитным слоем. На графике справа приведена типичная зависимость электрического сопротивления такой ячейки от напряженности внешнего магнитного поля. Когда запоминающий слой намагничен противоположно к фиксированному ферромагнитному слою, то электрическое сопротивление ячейки велико. Когда же внешнее магнитное поле превышает коэрцитивную силу запоминающего слоя, то он перемагничивается, электрическое сопротивление ячейки резко падает, оставаясь таким же низким и после исчезновения внешнего магнитного поля. Это и позволяет в любой момент проверить, в каком состоянии ("0" или "1") находится запоминающий элемент ячейки.
Оперативную память, построенную из таких ячеек, в англоязычных источниках называют MRAM (magnetoresistive random-access memory ). В отечественных публикациях ее также часто именуют "магниторезистивной памятью", хотя это и не совсем точно. Ведь информация (направление намагниченности) запоминается и сохраняется именно в ферромагнитном запоминающем слое, а совсем не в магниторезистивном датчике. Поэтому точнее было бы называть такой вид памяти "магнитным оперативным запоминающим устройством" (МОЗУ). Но такое название уже было в истории развития вычислительной техники: так продолжительное время называли ОЗУ на миниатюрных ферритовых кольцах, о которых мы упоминали в предыдущей лекции. Чтобы не создавать почвы для путаницы, мы также будем называть такой вид памяти магниторезистивным оперативным запоминающим устройством или магниторезистивным ОЗУ (МРОЗУ).
Матричная организация МРОЗУ
Магниторезистивные ячейки типа изображенной на рис. 11.9 в принципе могут быть очень малыми (до 10 нм) и довольно плотно упакованными. Однако из-за необходимости произвольного доступа к каждой из них при считывании и для записи информации реально обеспечить наибольшую плотность упаковки далеко не просто. Обычно используют матричную организацию, когда ячейки памяти размещают на пересечениях двух взаимно перпендикулярных систем шин-электродов ( рис. 11.10).
Рис. 11.10.
Одну из этих систем шин подключают к выходам дешифратора адреса. Это – адресные шины, которые иногда называют еще "шинами выбора слова" или "словарными шинами". Когда на дешифратор ОЗУ подается код адреса, дешифратор активирует лишь одну из этих шин, порядковый номер которой соответствует заданному адресу. Перпендикулярные разрядные шины соответствуют отдельным битам (разрядам) выбранного слова, которое считывается или записывается. Поэтому эти шины иногда называют также и "битовыми".
Для адресной матричной выборки отдельных ячеек памяти важна ориентация оси легкого намагничивания запоминающего слоя. Используемая ориентация оси легкого намагничивания в ячейках памяти относительно системы шин показана на рис. 11.11 . Эта ось образует с каждой системой шин угол .
Рис. 11.11.
Принципиальная схема формирования выходных сигналов в режиме считывания показана на рис. 11.12 . На дешифратор Дш подается -разрядный двоичный адрес того слова, которое надо считывать. Соответственно этому адресу Дш "выбирает" одну из шин, например, -ю адресную шину и подает на нее напряжение считывания . Величина электрического тока, который течет при этом в каждую разрядную шину, зависит от записанной в соответствующий разряд информации. Через те ячейки памяти, сопротивление которых велико, течет сравнительно малый ток, а через те, сопротивление которых мало, – сравнительно большой ток.
Каждая разрядная шина соединена со своей схемой усиления и формирования сигнала считывания (УФ1, УФ2, УФ3, ... , УФm), с выходов которых параллельно считывается записанное в памяти -разрядное двоичное слово.
Рис. 11.12.
Запись информации производится по разрядам. Принципиальная схема записи показана на рис. 11.13 . К началу записи на дешифратор Дш подается -разрядный двоичный адрес того слова, которое надо записать, а в регистр записываемого слова – его двоичный код. В соответствии с заданным адресом Дш "выбирает" одну из шин, например, -ю адресную шину и открывает соответствующий вентиль (напр., МДП транзистор). Через него в шину выбранного слова подается импульс электрического тока от источника тока записи (ИТЗ). Направление этого тока определяется тем, какой бит ("0" или "1") надо записать. Регистр записываемого слова поочередно посылает сигналы на источник тока каждой разрядной шины (ИТ1, ИТ2, ... , ИТm), под действием которых в разрядную шину подается импульс тока того или иного направления.
Процесс записи иллюстрирует рис. 11.14 . На нем слева ( рис. 11.14 .а) показана матрица магниторезистивной памяти. Стрелками показаны направления протекания электрического тока сквозь выбранные разрядную и адресную шины. Штриховыми линиями условно изображены силовые линии магнитного поля соответствующих токов.
Рис. 11.13.
) в запоминающем слое при противоположных направлениях тока (вид сверху). Через обозначено направление намагниченности магнитожесткого (фиксированного) слоя ячейки. В одном случае электрические токи перемагничивают запоминающий слой параллельно , а при противоположных направлениях токов – антипараллельно . Величина токов записи должна быть выбрана так, чтобы магнитное поле, созданное лишь одним из токов, было недостаточным для перемагничивания ячеек, прилегающих к соответствующей шине. И только действуя вместе на выбранную ячейку памяти, эти токи должны создавать суммарное магнитное поле , превышающее коэрцитивную силу и перемагничивающее запоминающий слой в нужном направлении.