Магниторезистивная память (MRAM): принцип работы и перспективы

Введение

Тип компьютерной памяти

Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) — это тип энергонезависимой памяти с произвольным доступом, хранящей данные в магнитных доменах. Разработанная в середине 1980-х годов, MRAM, по мнению сторонников, в конечном итоге превзойдет конкурирующие технологии и станет доминирующей или даже универсальной памятью. В настоящее время используемые технологии памяти, такие как флэш-память и DRAM, обладают практическими преимуществами, которые пока не позволяют MRAM занять значимую позицию на рынке.

Описание

В отличие от традиционных технологий чипов RAM, данные в MRAM хранятся не в виде электрического заряда или потоков тока, а посредством магнитных элементов хранения. Эти элементы формируются из двух ферромагнитных пластин, каждая из которых способна удерживать намагниченность, разделенных тонким изолирующим слоем. Одна из пластин является постоянным магнитом с установленной полярностью, а намагниченность другой пластины может изменяться для соответствия внешнему полю с целью хранения информации. Такая конфигурация известна как магнитотуннельный переход (MTJ) и представляет собой простейшую структуру для бита MRAM. Устройство памяти строится из сетки таких "ячеек". Самый простой метод считывания заключается в измерении электрического сопротивления ячейки. Определенная ячейка (обычно) выбирается путем включения связанного транзистора, который пропускает ток от линии питания через ячейку на землю. Благодаря туннельному магнитосопротивлению, электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от относительной ориентации намагниченности в двух пластинах. Измеряя полученный ток, можно определить сопротивление внутри конкретной ячейки, а следовательно, и полярность намагниченности записываемой пластины. Как правило, если обе пластины имеют одинаковое направление намагниченности (состояние низкого сопротивления), это интерпретируется как "1", а если направление антипараллельно, то сопротивление выше (состояние высокого сопротивления), что означает "0". Запись данных в ячейки осуществляется различными способами. В простейшей "классической" конструкции каждая ячейка расположена между парой линий записи, расположенных под прямым углом друг к другу, параллельно ячейке, одна над ней, а другая под ней. При прохождении тока через них в области перехода создается индуцированное магнитное поле, которое воспринимает записываемая пластина. Этот принцип работы аналогичен магнитной памяти, широко использовавшейся в 1960-х годах. Однако из-за вариаций технологических процессов и материалов, массив ячеек памяти характеризуется распределением полей переключения с отклонением σ. Следовательно, для программирования всех битов в большом массиве одним и тем же током, приложенное поле должно превышать среднее "выбранное" поле переключения более чем на 6σ. Кроме того, приложенное поле должно оставаться ниже максимального значения. Таким образом, эта "традиционная" MRAM должна обеспечивать четкое разделение этих двух распределений. В результате, существует узкое рабочее окно для полей программирования, и только в пределах этого окна все биты могут быть запрограммированы без ошибок или искажений. В 2005 году для решения этой проблемы был применен "переход Савченко", основанный на уникальном поведении свободного слоя синтетического антиферромагнетика (SAF). Слой SAF состоит из двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитным слоем-разъединителем. Для синтетического антиферромагнетика с некоторой чистой анизотропией Hk в каждом слое существует критическое поле спинового переворота Hsw, при котором два антипараллельных слоя намагниченности вращаются (переворачиваются), становясь ортогональными к приложенному полю H, при этом каждый слой слегка отклоняется в направлении H. Следовательно, если прикладывается только ток по одной линии (половина выбранных битов), угол поля 45° не может изменить состояние. Ниже порога переключения отсутствуют искажения даже при самых высоких полях. Однако этот подход все еще требует значительного тока для создания поля, что делает его менее привлекательным для применений с низким энергопотреблением, одного из основных недостатков MRAM. Кроме того, при уменьшении размеров устройства наступает момент, когда индуцированное поле перекрывает соседние ячейки на небольшой площади, что приводит к потенциальным ложным записям. Эта проблема, известная как проблема полувыбора (или искажения при записи), определяет достаточно большой минимальный размер ячейки данного типа. Одним из экспериментальных решений этой проблемы было использование круговых доменов, записанных и считываемых с использованием гигантского магнитосопротивления, но, по-видимому, это направление исследований больше не развивается. Новая технология, спин-трансферный момент (STT) или спин-трансферное переключение, использует спин-выровненные ("поляризованные") электроны для непосредственного воздействия на домены. В частности, если электроны, входящие в слой, должны изменить свой спин, это создает момент силы, который передается соседнему слою. Это снижает требуемый ток для записи в ячейки, приближая его к току, необходимому для считывания. Существуют опасения, что "классический" тип ячейки MRAM столкнется с трудностями при высокой плотности из-за необходимого тока при записи, проблему, которую STT позволяет избежать. По этой причине сторонники STT ожидают, что эта технология будет использоваться в устройствах с размером 65 нм и меньше. Недостатком является необходимость поддержания спиновой когерентности. В целом, STT требует значительно меньшего тока записи, чем традиционная или переключающаяся MRAM. Исследования в этой области показывают, что ток STT можно снизить до 50 раз за счет использования новой композитной структуры. Однако для высокоскоростной работы все еще требуется более высокий ток. Другие потенциальные конфигурации включают "вертикальную транспортную MRAM" (VMRAM), которая использует ток через вертикальный столб для изменения магнитной ориентации, геометрическую конфигурацию, которая снижает проблему искажения при записи и, следовательно, может использоваться при более высокой плотности. Обзорная статья содержит подробную информацию о материалах и проблемах, связанных с MRAM в перпендикулярной геометрии. Авторы описывают новый термин "Пенталемма", который представляет собой конфликт между пятью различными требованиями, такими как ток записи, стабильность битов, читаемость, скорость чтения/записи и технологическая интеграция с КМОП. Обсуждаются выбор материалов и конструкция MRAM для удовлетворения этих требований.

Unlike conventional RAM chip technologies, data in MRAM is not stored as electric charge or current flows, but by magnetic storage elements. The elements are formed from two ferromagnetic plates, each of which can hold a magnetization, separated by a thin insulating layer. One of the two plates is a permanent magnet set to a particular polarity; the other plate's magnetization can be changed to match that of an external field to store memory. This configuration is known as a magnetic tunnel junction (MTJ) and is the simplest structure for an MRAM bit. A memory device is built from a grid of such "cells". The simplest method of reading is accomplished by measuring the electrical resistance of the cell. A particular cell is (typically) selected by powering an associated transistor that switches current from a supply line through the cell to ground. Because of tunnel magnetoresistance, the electrical resistance of the cell changes with the relative orientation of the magnetization in the two plates. By measuring the resulting current, the resistance inside any particular cell can be determined, and from this the magnetization polarity of the writable plate. Typically if the two plates have the same magnetization alignment (low resistance state) this is considered to mean "1", while if the alignment is antiparallel the resistance will be higher (high resistance state) and this means "0". Data is written to the cells using a variety of means. In the simplest "classic" design, each cell lies between a pair of write lines arranged at right angles to each other, parallel to the cell, one above and one below the cell. When current is passed through them, an induced magnetic field is created at the junction, which the writable plate picks up. This pattern of operation is similar to magnetic core memory, a system commonly used in the 1960s. However, due to process and material variations, an array of memory cells has a distribution of switching fields with a deviation σ. Therefore, to program all the bits in a large array with the same current, the applied field needs to be larger than the mean "selected" switching field by greater than 6σ. In addition,the applied field must be kept below a maximum value. Thus, this "conventional" MRAM must keep these two distributions well separated. As a result, there is a narrow operating window for programming fields; and only inside this window, can all the bits be programmed without errors or disturbs. In 2005, a "Savtchenko switching" relying on the unique behavior of a synthetic antiferromagnet (SAF) free layer is applied to solve this problem. The SAF layer is formed from two ferromagnetic layers separated by a nonmagnetic coupling spacer layer. For a synthetic antiferromagnet having some net anisotropy Hk in each layer, there exists a critical spin flop field Hsw at which the two antiparallel layer magnetizations will rotate (flop) to be orthogonal to the applied field H with each layer scissoring slightly in the direction of H. Therefore, if only a single line current is applied (half selected bits), the 45° field angle cannot switch the state. Below the toggling transition, there are no disturbs all the way up to the highest fields. This approach still requires a fairly substantial current to generate the field, however, which makes it less interesting for low power uses, one of MRAM's primary disadvantages. Additionally, as the device is scaled down in size, there comes a time when the induced field overlaps adjacent cells over a small area, leading to potential false writes. This problem, the half select (or write disturb) problem, appears to set a fairly large minimal size for this type of cell. One experimental solution to this problem was to use circular domains written and read using the giant magnetoresistive effect, but it appears that this line of research is no longer active. A newer technique, spin transfer torque (STT) or spin transfer switching, uses spin aligned ("polarized") electrons to directly torque the domains. Specifically, if the electrons flowing into a layer have to change their spin, this will develop a torque that will be transferred to the nearby layer. This lowers the amount of current needed to write the cells, making it about the same as the read process. There are concerns that the "classic" type of MRAM cell will have difficulty at high densities because of the amount of current needed during writes, a problem that STT avoids. For this reason, the STT proponents expect the technique to be used for devices of 65 nm and smaller. The downside is the need to maintain the spin coherence. Overall, the STT requires much less write current than conventional or toggle MRAM. Research in this field indicates that STT current can be reduced up to 50 times by using a new composite structure. However, higher speed operation still requires higher current. Other potential arrangements include "vertical transport MRAM" (VMRAM), which uses current through a vertical column to change magnetic orientation, a geometric arrangement that reduces the write disturb problem and so can be used at higher density. A review article provides the details of materials and challenges associated with MRAM in the perpendicular geometry. The authors describe a new term called "Pentalemma", which represents a conflict in five different requirements such as write current, stability of the bits, readability, read/write speed and the process integration with CMOS. The selection of materials and the design of MRAM to fulfill those requirements are discussed.

Плотность

Основным фактором, определяющим стоимость системы памяти, является плотность компонентов, используемых для её изготовления. Меньшие компоненты и их меньшее количество позволяют разместить больше "ячеек" на одном чипе, что, в свою очередь, означает возможность производства большего количества чипов из одной кремниевой пластины. Это повышает выход годных, который напрямую влияет на стоимость. DRAM использует небольшой конденсатор в качестве элемента памяти, проводники для передачи тока к нему и от него, и транзистор для управления – такую структуру называют ячейкой "1T1C". Благодаря этому DRAM является наиболее плотной оперативной памятью, доступной на сегодняшний день, и, следовательно, самой недорогой, что объясняет её широкое применение в компьютерах. MRAM по своей физической структуре схож с DRAM и часто требует транзистор для операции записи (хотя это и не является обязательным условием). Уменьшение размеров транзисторов для повышения плотности неизбежно приводит к снижению доступного тока, что может ограничить производительность MRAM при переходе к более продвинутым технологическим нормам.

Потребление электроэнергии

Поскольку конденсаторы, используемые в DRAM, со временем теряют заряд, память, использующая DRAM, должна обновлять все ячейки в своих чипах несколько раз в секунду, считывая каждую из них и перезаписывая её содержимое. По мере уменьшения размеров ячеек DRAM, необходимость в обновлении возрастает, что приводит к увеличению энергопотребления. В отличие от этого, MRAM никогда не требует обновления. Это означает, что он не только сохраняет данные при отключенном питании, но и не потребляет энергию в режиме ожидания. Хотя теоретически процесс чтения в MRAM требует больше энергии, чем в DRAM, на практике эта разница оказывается пренебрежимо малой. Однако процесс записи требует больше энергии для преодоления существующего магнитного поля в переходе, что в три-восемь раз превышает энергопотребление при чтении. Несмотря на то, что фактическая экономия энергии зависит от характера нагрузки – более частые операции записи потребуют больше энергии – сторонники MRAM в целом ожидают значительно меньшего энергопотребления (до 99% меньше) по сравнению с DRAM. MRAM на основе STT устраняет разницу в энергопотреблении между чтением и записью, что еще больше снижает требования к питанию. Также стоит сравнить MRAM с другой распространенной системой памяти – флеш-памятью. Как и MRAM, флеш-память не теряет данные при отключении питания, что делает её широко используемой в приложениях, требующих постоянного хранения. При чтении энергопотребление флеш-памяти и MRAM сопоставимо. Однако для перезаписи флеш-памяти используется мощный импульс напряжения (около 10 В), накапливаемый во времени с помощью повышающего преобразователя, что является энергозатратным и занимает время. Кроме того, этот импульс тока физически изнашивает ячейки флеш-памяти, что ограничивает количество циклов записи-стирания, после которого требуется замена. В отличие от этого, MRAM требует лишь незначительно больше энергии для записи, чем для чтения, и не требует изменения напряжения, что исключает необходимость в повышающем преобразователе. Это обеспечивает более высокую скорость работы, меньшее энергопотребление и практически неограниченный срок службы.

Since the capacitors used in DRAM lose their charge over time, memory assemblies that use DRAM must refresh all the cells in their chips several times a second, reading each one and re writing its contents. As DRAM cells decrease in size it is necessary to refresh the cells more often, resulting in greater power consumption. In contrast, MRAM never requires a refresh. This means that not only does it retain its memory with the power turned off but also there is no constant power draw. While the read process in theory requires more power than the same process in a DRAM, in practice the difference appears to be very close to zero. However, the write process requires more power to overcome the existing field stored in the junction, varying from three to eight times the power required during reading. Although the exact amount of power savings depends on the nature of the work — more frequent writing will require more power – in general MRAM proponents expect much lower power consumption (up to 99% less) compared to DRAM. STT based MRAMs eliminate the difference between reading and writing, further reducing power requirements. It is also worth comparing MRAM with another common memory system — flash RAM. Like MRAM, flash does not lose its memory when power is removed, which makes it very common in applications requiring persistent storage. When used for reading, flash and MRAM are very similar in power requirements. However, flash is re written using a large pulse of voltage (about 10 V) that is stored up over time in a charge pump, which is both power hungry and time consuming. In addition, the current pulse physically degrades the flash cells, which means flash can only be written to some finite number of times before it must be replaced. In contrast, MRAM requires only slightly more power to write than read, and no change in the voltage, eliminating the need for a charge pump. This leads to much faster operation, lower power consumption, and an indefinitely long lifetime.

Хранение данных

МРАМ часто позиционируется как энергонезависимая память. Однако, современная широко используемая высокоемкая MRAM, память с переносом спинового момента, обеспечивает улучшенное время хранения данных за счет повышенного энергопотребления, то есть большего тока записи. В частности, критический (минимальный) ток записи прямо пропорционален фактору тепловой стабильности Δ. Время хранения данных, в свою очередь, пропорционально exp(Δ). Следовательно, время хранения данных экспоненциально уменьшается при снижении тока записи.

Скорость

Производительность динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) ограничена скоростью, с которой заряд, хранящийся в ячейках, может быть сброшен (для чтения) или накоплен (для записи). Работа MRAM основана на измерении напряжений, а не зарядов или токов, поэтому требуется меньшее "время установления". Исследователи IBM продемонстрировали устройства MRAM со временем доступа порядка 2 нс, что несколько лучше, чем даже самые передовые DRAM, изготовленные по гораздо более новым технологическим нормам. Команда из немецкого Physikalisch Technische Bundesanstalt продемонстрировала устройства MRAM с временем установления 1 нс, что превосходит общепринятые в настоящее время теоретические пределы для DRAM, хотя демонстрация проводилась на одной ячейке. Отличия от флэш-памяти гораздо более существенны, скорость записи может быть в тысячи раз выше. Однако, эти сравнения скорости не относятся к одинаковым значениям тока. Для памяти высокой плотности требуются небольшие транзисторы с уменьшенным током, особенно при создании для низких потерь в режиме ожидания. В таких условиях время записи менее 30 нс может быть нелегко достижимо. В частности, для обеспечения стабильности припоя при переплавке при 260 °C в течение 90 секунд потребовались импульсы длительностью 250 нс. Это связано с повышенными требованиями к термической стабильности, что приводит к увеличению частоты ошибок записи битов. Чтобы избежать пробоя из-за более высокого тока, необходимы более длительные импульсы. Для перпендикулярной STT MRAM время переключения в значительной степени определяется термической стабильностью Δ, а также током записи. Большее значение Δ (лучше для хранения данных) потребует большего тока записи или более длительного импульса. Сочетание высокой скорости и достаточной сохранности возможно только при достаточно высоком токе записи. Единственная современная технология памяти, которая легко конкурирует с MRAM по производительности при сопоставимой плотности, — это статическая память с произвольным доступом (SRAM). SRAM состоит из ряда транзисторов, расположенных в триггере, который будет поддерживать одно из двух состояний, пока подается питание. Поскольку транзисторы имеют очень низкое энергопотребление, их время переключения очень мало. Однако, поскольку ячейка SRAM состоит из нескольких транзисторов, обычно четырех или шести, ее плотность намного ниже, чем у DRAM. Это делает ее дорогой, поэтому она используется только для небольших объемов высокопроизводительной памяти, в частности, для кэша ЦП практически во всех современных конструкциях центральных процессоров. Хотя MRAM не так быстра, как SRAM, она достаточно близка, чтобы быть интересной даже в этой роли. Учитывая ее гораздо более высокую плотность, разработчик ЦП может склониться к использованию MRAM для предложения гораздо большего, но несколько более медленного кэша, а не меньшего, но более быстрого. Покажет время, как этот компромисс проявится в будущем.

Dynamic random access memory (DRAM) performance is limited by the rate at which the charge stored in the cells can be drained (for reading) or stored (for writing). MRAM operation is based on measuring voltages rather than charges or currents, so there is less "settling time" needed. IBM researchers have demonstrated MRAM devices with access times on the order of 2 ns, somewhat better than even the most advanced DRAMs built on much newer processes. A team at the German Physikalisch Technische Bundesanstalt have demonstrated MRAM devices with 1 ns settling times, better than the currently accepted theoretical limits for DRAM, although the demonstration was a single cell. The differences compared to flash are far more significant, with write speeds as much as thousands of times faster. However, these speed comparisons are not for like for like current. High density memory requires small transistors with reduced current, especially when built for low standby leakage. Under such conditions, write times shorter than 30 ns may not be reached so easily. In particular, to meet solder reflow stability of 260 °C over 90 seconds, 250 ns pulses have been required. This is related to the elevated thermal stability requirement driving up the write bit error rate. In order to avoid breakdown from higher current, longer pulses are needed. For the perpendicular STT MRAM, the switching time is largely determined by the thermal stability Δ as well as the write current. A larger Δ (better for data retention) would require a larger write current or a longer pulse. A combination of high speed and adequate retention is only possible with a sufficiently high write current. The only current memory technology that easily competes with MRAM in terms of performance at comparable density is static random access memory (SRAM). SRAM consists of a series of transistors arranged in a flip flop, which will hold one of two states as long as power is applied. Since the transistors have a very low power requirement, their switching time is very low. However, since an SRAM cell consists of several transistors, typically four or six, its density is much lower than DRAM. This makes it expensive, which is why it is used only for small amounts of high performance memory, notably the CPU cache in almost all modern central processing unit designs. Although MRAM is not quite as fast as SRAM, it is close enough to be interesting even in this role. Given its much higher density, a CPU designer may be inclined to use MRAM to offer a much larger but somewhat slower cache, rather than a smaller but faster one. It remains to be seen how this trade off will play out in the future.

Альтернативы MRAM

Ограниченное число циклов записи для флэш-памяти и EEPROM является серьезной проблемой при использовании в качестве оперативной памяти. Кроме того, высокое энергопотребление, необходимое для записи ячеек, представляет собой проблему в устройствах с низким энергопотреблением, где часто используется энергонезависимая память. Для записи также требуется время на "накопление" энергии в схеме, известной как повышающий преобразователь (charge pump), что делает процесс записи значительно медленнее чтения, часто в 1/1000 раза. Хотя MRAM был разработан для решения некоторых из этих проблем, ряд других новых типов памяти находятся в производстве или были предложены для устранения этих недостатков. На сегодняшний день единственной подобной системой, получившей широкое распространение, является ферроэлектрическая оперативная память, или F RAM (иногда называемая FeRAM). Также наблюдается возрождение интереса к памяти на основе оксида кремния-нитрида-оксида кремния (SONOS) и ReRAM. 3D XPoint также находится в разработке, но известно, что его энергопотребление выше, чем у DRAM.

Приложения

Возможные практические применения MRAM включают практически любое устройство, содержащее память, такое как аэрокосмические и военные системы, цифровые камеры, ноутбуки, смарт-карты, мобильные телефоны, базовые станции сотовой связи, персональные компьютеры, замена SRAM с резервным питанием, специализированные энергонезависимые памяти для регистрации данных (решения типа "черного ящика"), медиаплееры и электронные книги и т.д.