MRAM je nové slovo ve výrobě paměťových čipů. MRAM je velmi obtížné vyrobit
Letošní Nobelovu cenu za fyziku získali dva vědci: Albert Firth a Peter Grünberg se zněním „ za objev obřího magnetorezistentního efektu».
Obr. 1 Albert Firth (nar. 1938) a Peter Grunberg (nar. 1939) -
Nositelé Nobelovy ceny za fyziku za rok 2007
Od objevu uplynulo téměř 20 let a během této doby zařízení založená na obřím magnetickém odporu (GMR, nebo, jak se běžně říká v anglické literatuře) GMR ) se staly součástí pletiva a krve moderní digitální civilizace (čtecí hlavy na GMS se používají na pevném disku každého počítače) a koncept spinového transportu, spinového vstřikování, spinových polarizátorů a analyzátorů tvořil základ koncepčního aparátu nového směru vědy a techniky - spinové elektroniky.
- Obří efekt magnetorezistence
Účinek obří magnetorezistence byl zpočátku pozorován u vícevrstvých struktur, které se skládají ze střídavě magnetických a nemagnetických vodivých vrstev (viz obr. 2), například ( Co/Cu)n nebo (Fe/Cr)n . Takové struktury se nazývají magnetické supermřížky. Tloušťka vrstev činí zpravidla zlomky několika nanometrů. Důsledkem je, že odpor struktury, měřený proudem tekoucím v rovině systému, závisí na relativním směru magnetizace sousedních magnetických vrstev. Při paralelní magnetizaci vrstev je tedy odpor zpravidla nízký a při antiparalelní magnetizaci vysoký. Relativní změna odporu systému se pohybuje od 5 do 50 % v závislosti na materiálech, počtu vrstev a teplotě. Tato hodnota je o řád větší než u předchůdce obřího magnetorezistentního efektu – anizotropního magnetorezistentního efektu, který vysvětluje název prvního.
| A) | b) |
Rýže. 2. Magnetické supermřížky, na kterých je pozorován efekt GMR.
Transport elektronů opačných polarizací v případě
a) paralelní ab) antiparalelní orientace magnetizací magnetických vrstev.
Spodní části obrázků znázorňují ekvivalentní elektrické obvody,
odpovídající těmto dvěma konfiguracím.
GMS efekt je založen na dvou důležitých jevech. První je, že ve feromagnetu elektrony s jedním směrem rotace (nebo jedním spinová polarizace, jak se říká) jsou rozptýleny mnohem silněji než elektrony opačné polarizace (preferovaný směr určuje magnetizaci vzorku). Druhým jevem je, že elektrony opouštějící jednu feromagnetickou vrstvu vstupují do druhé, přičemž si zachovávají svou polarizaci. Tedy v případě paralelní konfigurace vrstvy, ty nosiče, které jsou rozptýleny méně, projdou celou konstrukcí bez rozptylu; a nosiče opačné polarizace zažívají silný rozptyl v každé z magnetických vrstev (viz obr. 2a). V případě antiparalelní konfigurace systému (viz obr. 2b) dochází u nosičů obou polarizací k silnému rozptylu v některých vrstvách a slabému rozptylu v jiných. Systémový odpor může být konvenčně znázorněn jako dvě sady odporů zapojené paralelně, odpovídající dvěma spinovým polarizacím; Navíc každý z odporů v těchto sadách odpovídá velkému nebo malému rozptylu nosičů dané polarizace ve specifické magnetické vrstvě. Taková schémata pro paralelní a antiparalelní uspořádání vrstev jsou znázorněna ve spodní části obrázků 2a, b.
Pro provoz zařízení založených na GMR efektu je důležitá schopnost vytvářet antiparalelní konfiguraci vrstev (viz obr. 2b). Takové konfigurace lze získat při nulovém poli díky přítomnosti takzvané mezivrstvové výměnné interakce. Ukazuje se, že energie Eint. l. interakce dvou magnetických vrstev s magnetizacemiM 1 m M 2, oddělené nemagnetickou vrstvou tl d s, má (podle prvního přiblížení) Heisenbergův tvar:
. (1)
V tomto případě koeficient J 1 závisí na tloušťce nemagnetické vrstvy d s oscilačně, takže pro stejné hodnoty d s J 1 je pozitivní a v jiných - negativní. Podle toho je možné volit tloušťku nemagnetických vrstev tak, aby antiparalelní uspořádání vrstev bylo energeticky příznivé. Je zajímavé, že právě studiem mezivrstvové interakce ve vícevrstvých magnetických strukturách se původní objevitelé jevu zabývali, než objevili jejich novou neobvyklou vlastnost – obří magnetorezistenci.
Rýže. 3. Schematické znázornění rotačního ventilu. Spodní vrstva je antiferomagnetická vrstva.
Jako prvky založené na GMS efektu vznikla struktura tzv otočný ventil ( otočný ventil ), viz obr. 3. Obsahuje jednu z magnetických vrstev (např. Co nebo Co 90 Fe 10) se nastříká na antiferomagnetickou vrstvu (např. Mn 76 Ir 24 nebo Mn 50 Pt 50 ). V důsledku výměnné interakce mezi elektrony feromagnetika a antiferomagnetika se spiny v těchto dvou vrstvách navzájem pevně spojí. Protože vnější magnetické pole nepříliš velké velikosti neovlivňuje antiferomagnet, magnetizace magnetické vrstvy se ukazuje jako pevná (tento jev se nazývá jednosměrná nebo výměnná anizotropie.
Taková vrstva, jejíž magnetizaci lze v určitém rozsahu polí považovat za nezměněnou, se nazývá pevná nebo pevná. Druhá magnetická vrstva (často Co nebo Co 90 Fe 10 nebo dvouvrstvé Ni 80 Fe 20 /Co nebo Ni 80 Fe 20 /Co 90 Fe 10 ,) lze libovolně přemagnetizovat vnějším polem, proto se nazývá volný. Mezivrstva nemagnetický kov je obvykle reprezentován Cu . Tato struktura se nazývá spin switch resp otočný ventil ( spin-ventil ). Odpor otočného ventilu R lze s dobrou přesností popsat pomocí vzorce:
Zde R 0 - odolnost struktury s paralelní magnetizací vrstev, delta R gmr - zvýšení odporu vlivem GMS efektu a Q - úhel mezi magnetizacemi magnetických vrstev (nabývá hodnot mezi p a -p). Typické hodnoty R jsou desítky ohmů a pro rotační ventily používané v průmyslu je 6-10%.
GMR efekt byl objeven měřením odporu magnetických supermřížek pomocí proudu tekoucího v rovině systému. V roce 1991 byla objevena změna odporu magnetických kovových supermřížek se změnou vzájemné orientace magnetických vrstev pro proud tekoucí kolmo k rovině vrstev. Tyto dvě geometrie pro měření odporu vícevrstvých magnetických struktur jsou označovány dnes již standardními zkratkami CIP (proud v rovině) a CPP (proud kolmý na rovinu). Mechanismy účinků GMS v CPP a CIP geometrie jsou v základních rysech podobné; Navíc hodnoty odporu magnetitu získané pro první efekt jsou přibližně dvakrát větší než pro druhý. Absolutní odpor kovových supermřížek, jejichž celková tloušťka se pohybuje v řádu desítek nanometrů, je však při měření v CPP je tam velmi málo geometrie a je docela obtížné ji měřit. Proto pro praktické aplikace GMS efekt v CPP geometrie je mnohem méně atraktivní.
Další průlom v oblasti magnetorezistentních efektů pochází z objevu efektu tunelová magnetorezistence(TMS). Vyskytuje se v systémech CPP, kde místo vodivé nemagnetické vrstvy zaujímá tenká (1-2 nm) vrstva izolantu. Odpor takové konstrukce, měřený v CPP -geometrie, silně závisí na relativním směru magnetizace vrstev v důsledku různých pravděpodobností průchodu nosičů s opačnou orientací spinu tunelovou bariérou. Ukázalo se, že pro velmi běžnou amorfní izolační vrstvu Al2O3 relativní změna odpor dosahuje 70 % při pokojové teplotě (RT). Ještě nadějnější je bariéra v podobě monokrystalické vrstvy MgO , což umožňuje dosáhnout hodnot až 500 % při pokojové teplotě.
2. Aplikace GMS v paměťovém průmyslu
V současné době již magnetorezistentní efekty získaly širokou komerční aplikaci. Nejčastěji se tyto efekty využívají k vytváření magneticky citlivých prvků senzorů pro různé účely. Již více než 10 let se tak ve čtecích hlavách pevných disků používají magneticky citlivé prvky na bázi magnetorezistivních nanostruktur. Kromě toho se v širokém měřítku vyvíjejí nové typy pamětí založené na magnetorezistivních prvcích; poměrně nedávno začal prodej jednoho z nich - tzv. magnetického paměť s náhodným přístupem MRAM . U řady indikátorů je tento lepší než v současnosti existující polovodičové analogy.
Tato část pojednává o těchto dvou klíčové aplikace: o struktuře čtecích hlav v HDD a magnetická paměť MRAM.
2.1. Čtecí hlavy pro pevné disky
Největší růst v posledních letech vykazují tržby těch nejmenších pevné disky(určeno pro přenosné paměťové karty, t.t 3 hráči, videokamery, mobily atd.) obsadily až 23 % celkového trhu pevných disků ( HDD - ovladače pevného disku ); očekává se, že tento podíl vzroste na 40 % do roku 2009 a předstihne tento segment HDD pro stolní počítače. V důsledku toho obecné trendy na trhu vedou k potřebě zařízení se stále rostoucí hustotou záznamu informací. Za posledních deset let tedy hustota záznamu v komerčních zařízeních roste tempem 50–100 % ročně. Udržení takto aktivního trendu miniaturizace vyžaduje použití nejmodernějších inovativních technologií v oblasti vytváření magnetických médií (pro ukládání informací), záznamových a čtecích hlav a systémové elektroniky.
Od samého začátku na pevných discích (první HDD se objevily v polovině 50. let) používaly indukční čtecí hlavy. Na počátku 90. let byly nahrazeny magneticky citlivými senzory, jejichž schématická struktura je znázorněna na obrázku 4. Čtecí hlava se skládá z tenkovrstvého magnetorezistivního prvku, oboustranně stíněného filmy z měkkého magnetického materiálu. (Úlohou obrazovek je snížit pole ze vzdálených bitů na nulu, pokud je to možné). Tento design letí ve vzdálenosti řádově desítek nebo několika nanometrů nad povrchem magnetického filmu, na kterém jsou zaznamenány informace ve formě směru magnetizace v doménách uspořádaných podle velikosti a umístění. Domény opačné polarity odpovídají bitům "0" nebo "1". Pole z hranice mezi opačně magnetizovanými bity, přes které letí hlava, přemagnetizuje magnetorezistivní prvek. V důsledku toho se mění odpor prvku, který je zaznamenáván elektronikou a přenášen na datovou sběrnici. Tento design se dnes běžně používá.
Rýže. 4. Schematické znázornění čtecí hlavy pevného disku a princip jejího fungování.
Neustálé zvyšování hustoty záznamu (respektive zmenšení velikosti jednoho bitu) vede ke snížení magnetického toku na magneticky citlivý prvek. Pro zachování odstupu signálu od šumu jsou potřeba stále citlivější hlavy.
Magnetosenzitivní prvky založené na efektu anizotropní magnetorezistence měly výkon (poměr odporu hlavy při přechodu z „0“ na „1“) řádově 2 %, měly jednoduchou konstrukci a umožňovaly vytvářet HDD s hustotou záznamu až 1-5 Gbit/palec 2. Další zvýšení hustoty záznamu si vyžádalo zavedení čtecích prvků založených na GMS efektu. Mají mnohem složitější konstrukci (magneticky citlivý prvek obsahuje až 10 různých vrstev) a v různých modifikacích umožňují získat výkon od 6 do 12 % a hustotu záznamu až 50 Gbit/palec 2. Přechod na čtecí hlavy založené na GMC efektu provedli od roku 1997 téměř všichni hlavní výrobci pevných disků. Další generace hlav je založena na TMS efektu. Očekává se, že budou poskytovat výnosy přes 200 % a hustoty záznamu až 1 Tbit/in2. V současné době probíhá přechod výrobci tvrdých disky pro tento typ čtecích hlav.
2.2. Magnetická RAMMRAM
V počítačích, ovladačích, mobilní zařízení ah, několik typů polovodičových pamětí se používá současně. Některé z nich kupř SRAM (statická paměť s náhodným přístupem ), jsou velmi rychlé, používají se jako mezipaměť v procesorech; mají však složitý design, a proto jsou velmi drahé. Jiné typy paměti, jako je RAM DRAM (dynamická paměť s náhodným přístupem ), jsou jednodušší a levnější, ale také pomalejší. Taky, SRAM a DRAM neuchovávají svůj stav, když je napájení vypnuto. Typ paměti EEPROM (jeho nejznámější modifikace je Flash -paměť), zachovává si svůj stav i po vypnutí napájení, ale je velmi pomalý a nedokáže plnit funkce RAM ani v relativně jednoduchých zařízeních, jako jsou mp3 přehrávače nebo mobilní telefony. Kromě, Blikat -paměť je velmi energeticky náročná a má limit na počet přepisovacích cyklů (asi 10 5 -10 6), při překročení může selhat.
Zvláštní pozornost byla v této souvislosti věnována tvorbě univerzální paměť, která by mohla spojit výhody všech uvedené typy Paměť. Podle výše uvedeného musí mít:
a) poměrně jednoduchý design,
b) vysoká rychlost zápisu/čtení,
c) udržovat svůj stav i po vypnutí napájení,
d) povolit výrobu velký počet nahrávací cykly,
d) spotřebují malé množství energie.
V současnosti je nejpravděpodobnějším kandidátem na roli takové univerzální paměti tzv. magnetická paměť s náhodným přístupem. MRAM (magnetická paměť s náhodným přístupem). Provozní schéma MRAM je na obrázku 5. Paměťová buňka se skládá z vícevrstvého magnetorezistivního prvku založeného na TMS efektu. Volná vrstva tohoto prvku obsahuje informaci ve formě směru magnetizace. Čtení se provádí měřením odporu Rm tohoto prvku: s paralelní konfigurací volných a pevné vrstvy bude malý a s antiparalelním bude velký. Těmto dvěma hodnotám je přiřazena logická „0“ a „1“. Záznam se provádí přivedením proudových impulsů na proudové sběrnice 1 a 2 (které se analogicky s polovodičovými typy pamětí nazývají bitové a slovníkové). V tomto případě se kolem každého z nich objeví vírové magnetické pole. Konfigurace prvků je zvolena tak, že pro přemagnetování každého článku je nutné působení pole z obou proudových sběrnic a při vystavení poli pouze jedné ze sběrnic si prvek uchová svůj magnetický stav (viz obr. 5b ). Jako volná vrstva např. Dvojvrstva Fe nebo CoFe/NiFe , jako pevná - CoFe na substrátu z IrMn antiferomagnetu, oxidu hlinitého jako tunelový kontakt Al2O3 nebo vlastnit nejlepší parametry TMS, oxid manganatý MnO.
Taková paměť má jednoduchou konstrukci (jeden magnetorezistivní prvek a jeden tranzistor na článek) a přirozeně si udržuje svůj stav i po vypnutí napájení. Kromě toho vám umožňuje vytvořit téměř nekonečný počet přepisovacích cyklů (10 16 nebo více), a jak ukazují experimenty, doba cyklu zápisu/čtení je u různých vzorků desítky až několik nanosekund (podobně jako typ paměti SRAM).
Rýže. 5. a) Schematické znázornění paměťové buňky MRAM . Při zápisu do buňky kolem aktuálních sběrnic
vzniká magnetické pole, které tento prvek přemagnetizuje.
b) adresování buňky při psaní. Okolo celé proudové sběrnice se vytváří magnetické pole,
přemagnetizován je však pouze prvek, který se nachází v průsečíku dvou proudových sběrnic.
Na cestě k uskutečnění myšlenky o MRAM Jako univerzální paměť vyvstává mnoho problémů, souvisejících především s mechanismem pro záznam informací: potřeba vytvářet velká magnetická záznamová pole, relativně velká spotřeba energie tohoto zařízení(asi 100 pW na cyklus zápisu), zvýšené požadavky na spolehlivost procesu přepínání buněk atd., ale můžeme s jistotou říci, že dříve nebo později budou vyřešeny.
Na závěr stojí za zmínku následující. Není žádným tajemstvím, že módní označení „nano-“ se nyní drží všude, ale pouhá přítomnost struktury s charakteristická velikost 1-100 nm a méně není nanotechnologie v pravém slova smyslu, protože odráží pouze kvantitativní, nikoli kvalitativní stránku jevu. 45nm technologie zvládnutá mikroelektronikou je tedy pouze dalším krokem na cestě škálování, přičemž fyzikální principy, na nichž je založena, zůstávají nezměněny. Současně je efekt GMR vznikem zásadně nové vlastnosti v systému strukturovaném na nanoměřítku: tloušťka vodivých vrstev by měla být menší než střední volná dráha elektronů ( C.I.P. geometrie) nebo spinové relaxační délky ( CPP geometrie), což jsou jednotky nanometrů. V této souvislosti se jasně ukazuje formulace Švédské akademie věd, která udělila Nobelovu cenu „za objev obřího magnetorezistentního efektu Já "technologie, která" lze považovat za skutečně první efektivní aplikace perspektivní oblast nanotechnologií».
Nejdůležitější výhodou tohoto typu paměti je non-volatilita, tedy schopnost uchovávat zaznamenané informace (například programové kontexty úloh v systému a stav celého systému) při absenci externího napájení.
Technologie magnetorezistivní paměti se vyvíjí od 90. let minulého století. V porovnání s rostoucím objemem výroby jiných typů paměti počítače, zejména pamětí flash a DRAM, zatím není na trhu příliš zastoupena. Jeho zastánci však věří, že díky řadě výhod časem nahradí všechny typy počítačových pamětí a stane se skutečně „univerzální“ počítačovou pamětí.
Popis
Na rozdíl od jiných typů paměťových zařízení se informace v magnetorezistivní paměti neukládají ve formě elektrických nábojů nebo proudů, ale v magnetických paměťových prvcích. Magnetické prvky jsou tvořeny dvěma feromagnetickými vrstvami oddělenými tenkou vrstvou dielektrika. Jedna z vrstev je permanentní magnet magnetizovaný v určitém směru a magnetizace druhé vrstvy se mění vlivem vnějšího pole. Paměťové zařízení je organizováno na principu mřížky, skládající se z jednotlivých „buněk“ obsahujících paměťový prvek a tranzistor.
Informace jsou čteny měřením elektrického odporu článku. Jednotlivá buňka je (obvykle) vybrána přivedením energie na příslušný tranzistor, který dodává proud z napájecího zdroje přes paměťovou buňku do společné země čipu. Vlivem tunelové magnetorezistence se elektrický odpor článku mění v závislosti na vzájemné orientaci magnetizací ve vrstvách. Podle velikosti protékajícího proudu můžete určit odpor daného článku a v důsledku toho i polaritu přepisovatelné vrstvy. Typicky je stejná orientace magnetizace ve vrstvách prvku interpretována jako „0“, zatímco opačný směr magnetizace vrstev, vyznačující se vyšším odporem, je interpretován jako „1“.
Informace lze do buněk zaznamenávat pomocí různých metod. V nejjednodušším případě leží každá buňka mezi dvěma záznamovými čarami umístěnými v pravém úhlu k sobě, jedna nad buňkou a druhá pod buňkou. Když jimi prochází proud, v místě, kde se protínají záznamové čáry, se indukuje magnetické pole, které ovlivňuje přepisovatelnou vrstvu. Stejná metoda záznamu byla použita v paměti magnetického jádra, která se používala v 60. letech 20. století. Tato metoda vyžaduje dostatek vysoký proud nutné k vytvoření pole, a proto nejsou příliš vhodné pro použití v přenosná zařízení, pro které je důležitá nízká spotřeba, to je jedna z hlavních nevýhod MRAM. Navíc, jak se velikost čipů zmenšuje, přijde čas, kdy bude indukované pole na malé ploše překrývat sousední buňky, což povede k možným chybám zápisu. Z tohoto důvodu tento typ MRAM vyžaduje použití dostatečně velkých buněk. Jedním z experimentálních řešení tohoto problému bylo použití kruhových domén čtených a zapisovaných pomocí obřího magnetického reluktančního efektu, ale výzkum v tomto směru se již neprovádí.
Jiný přístup, přepínání režimů, využívá vícekrokový záznam s upravenou vícevrstvou buňkou. Buňka je upravena tak, aby obsahovala umělý antiferomagnet, kde se magnetická orientace střídá po povrchu tam a zpět, přičemž obě (připojené i volné) vrstvy jsou složeny z vícevrstvých svazků izolovaných tenkou „spojovací vrstvou“. Výsledné vrstvy mají pouze dva stabilní stavy, které lze přepínat z jednoho do druhého časováním zapisovacího proudu ve dvou řádcích, takže jeden je mírně zpožděn, čímž se pole „otáčí“. Jakékoli napětí nižší než plná úroveň zápisu ve skutečnosti zvyšuje jeho spínací odpor. To znamená, že buňky umístěné podél jedné ze záznamových linií nebudou vystaveny účinku neúmyslného obrácení magnetizace, což umožňuje použití menší velikosti buňky.
Nová technologie spin-torque-transfer-STT neboli spin-transfer switching využívá elektrony s daným spinovým stavem („polarizované“). Při průchodu volnou feromagnetickou vrstvou se jejich točivý moment přenese na magnetizaci této vrstvy a přeorientuje ji. To snižuje množství proudu potřebného k zápisu informace do paměťové buňky a spotřeba při čtení a zápisu je přibližně stejná. Technologie STT by měla vyřešit problémy, se kterými se bude potýkat „klasická“ technologie MRAM s tím, jak se bude zvyšovat hustota paměťových buněk a odpovídající nárůst proudu potřebného pro zápis. Proto bude technologie STT relevantní při použití technologického procesu 65 nm nebo méně. Negativní stránka je, že v současné době STT vyžaduje ke spínání více proudu na řídicím tranzistoru než konvenční MRAM, což znamená, že vyžaduje velký tranzistor a potřebu zachovat rotační koherenci. Celkově navzdory tomu STT vyžaduje mnohem menší zapisovací proud než konvenční nebo přepínací MRAM.
Ostatní možné způsoby Vývojem technologie magnetorezistivní paměti je technologie tepelného přepínání (TAS-Thermal Assisted Switching), při které se během procesu zápisu přechod magnetického tunelu rychle zahřeje (jako PRAM) a zbytek času zůstane stabilní i při nižší teplotě. jako technologie vertikálního transportu (VMRAM- vertical transport MRAM), ve které proud procházející vertikálními sloupci mění magnetickou orientaci a takové geometrické uspořádání paměťových buněk snižuje problém náhodného převrácení magnetizace a v důsledku toho může zvýšit možnou buňku hustota.
Srovnání s jinými typy pamětí
Hustota prvků v mikroobvodu
Hlavním faktorem, na kterém závisí výrobní cena paměťových čipů, je hustota umístění jednotlivých buněk v něm. Jak menší velikost jedna buňka, tím větší počet lze umístit na jeden čip a podle toho větší čísločipy lze vyrábět najednou z jednoho křemíkového plátku. To zlepšuje výtěžnost vhodných produktů a snižuje náklady na výrobu třísek.
| - (((popis))).
| - “(((citace)))”((#if: 2016-07-21 | ))
))((#if: 2016-07-21
| Zkontrolováno ((#iferror: ((#time: j xg Y | 2016-07-21 )) | 2016-07-21((#if: | (((accessyear))) )))).
| Zkontrolováno ((#iferror: ((#time: j xg Y | (((přístupový měsíc))) )) | (((přístupový měsíc)))((#if: | (((přístupový rok))) )) )).
| Zkontrolováno ((#iferror: ((#time: j xg Y | (((přístupový denměsíc))) )) | (((přístupový denměsíc)))((#if: | (((přístupový rok))) )) )).
| [(((archiveurl))) Archivováno z originálu ((#iferror: ((#time: j xg Y | (((archivedate))) )) | (((archivedate))) ))].
aplikace
Očekává se, že paměť MRAM bude použita v zařízeních, jako jsou:
- Letecké a vojenské systémy
- Mobilní základnové stanice
- Speciální zařízení pro záznam dat (černé skříňky)
viz také
Poznámky
Neznámá značka rozšíření "references"
Odkazy
- Nový čip sníží závislost na napájecích zdrojích / BBC Russian, červenec 2006
Pro vylepšení tohoto článku ((#if:Template:Rq/topics/getcategory | Template:Rq/topics/getcategory )) je žádoucí:((#if:((#if: checktranslate|
|
Magnetorezistivní RAM
Magnetorezistivní paměť- Jedná se o jeden z nadějných typů RAM, který se zatím nerozšířil, ale oproti jiným typům RAM má řadu výhod. Tento typ paměti se v blízké budoucnosti nepochybně stane populárnějším.
Pojďme zjistit, jak to funguje. Začněme návrhem magnetorezistivní paměťové buňky. Zjednodušený strukturální schéma magnetorezistentní paměťové buňky jsou znázorněny na obrázku 1.
Každá magnetorezistivní paměťová buňka ukládá 1 bit dat do magnetického prvku (MTJ 1), který se skládá ze dvou feromagnetik s tenkou vrstvou dielektrika mezi nimi.
Feromagnet je látka, která je magnetizována (při teplotě pod Curieovým bodem), a to i v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole.
Dielektrikum je látka, která špatně vede elektrický proud.
Navíc jeden z feromagnetik (feromagnet F 2) je permanentní magnet magnetizovaný v určitém směru a druhý feromagnet (feromagnet F 1) může vlivem elektrického pole měnit směr magnetizace. Pokud mají obě feromagnetika stejný směr magnetizace, pak se má za to, že v paměťové buňce je uložena nula. Pokud jsou směry magnetizace feromagnetik kolmé, pak se má za to, že v paměťové buňce je uložena jednotka.
Pro změnu směru magnetizace feromagnetu F 1 je nutné přivést proud do vedení WC 1 a WL 1. V místě průsečíku těchto čar, přesně tam, kde se nachází magnetický prvek, se vytvoří elektrické pole dostatečné síly, aby feromagnet F 1 změnil směr magnetizace. Zbývající magnetorezistivní paměťové buňky umístěné podél řady a sloupce, do kterých je přiváděn proud, nezmění směr magnetizace, protože výkon pole vytvořený pouze proudem ve vedení WC 1, nebo pouze proudem ve vedení WL 1, je nedostatečná.
Tento způsob změny magnetizace (zápis dat do paměťové buňky) je velmi podobný principu fungování paměti na magnetických jádrech, hojně používanému u druhé generace počítačů.
Na obrázku 2 je schematicky popsaná magnetorezistivní paměťová buňka.
Zápis dat do magnetorezistivních paměťových buněk výše popsanou metodou však vyžaduje vytvoření silného elektrického pole, takže magnetické prvky sousedních buněk musí být umístěny daleko od sebe, a proto bude velikost magnetorezistivní paměti docela velký. A spotřeba energie bude vysoká, zvláště pro použití takové paměti v mobilních zařízeních. výpočetní systémy, a to i s přihlédnutím ke skutečnosti, že se nespotřebovává žádná energie na ukládání dat v magnetorezistivních paměťových buňkách.
Z tohoto důvodu probíhá aktivní vyhledávání alternativní způsoby zápis dat do magnetorezistivní paměti, jako je tepelný zápis, kdy se paměťová buňka zahřeje bezprostředně před zápisem, což usnadňuje obrácení směru magnetizace, nebo postupný zápis pomocí antiferomagnetů a vícevrstvé paměťové buňky. Existují i jiné způsoby zápisu do magnetorezistivní paměti, ale všechny jsou stále ve fázi vytváření prototypů a ještě nejsou připraveny pro použití v hromadné výrobě.
Ale v budoucnu může tento typ paměti nahradit všechny ostatní typy paměti RAM, protože potenciálně významně nejlepší vlastnosti, a to jak z hlediska rychlosti práce, tak kvality a objemu uložených informací. Přestože se tato paměť stále používá, je to především ve velkých vědeckých a technických projektech. Takže v roce 2008 v japonštině umělá družice SpriteSat používal magnetorezistivní paměť vyráběnou společností Freescale Semiconductor. A od dubna 2011 jsou k dispozici první komerční čipy MRAM s kapacitou 16 Mbit, a to je jen začátek.
Při čtení dat z magnetorezistivní paměti je vše jednodušší. Již existuje zcela přijatelná metoda, založená na změně elektrického odporu při protékání proudu mezi dvěma vrstvami feromagnetika, oddělenými tenkou vrstvou dielektrika. Celkový odpor bude vyšší, když je magnetizace dielektrických vrstev kolmo orientována. Podle velikosti proudu procházejícího buňkou lze určit orientaci magnetizace a podle toho určit obsah paměťové buňky.
Pokud se vrátíme k obrázku 2, pak čtení dat z paměťové buňky bude organizováno následovně:
- do vedení RL1 je přiváděn proud, který otevírá tranzistor VT1 a umožňuje čtení dat z paměťové buňky;
- vedení WC 1 je napájeno proudem procházejícím magnetickým prvkem MTJ 1 a poté přes otevřený tranzistor VT 1 do čtecího zařízení dat, kde bude na základě hodnoty proudu určena hodnota uložená v paměťové buňce.
Podívejme se na hlavní výhody a nevýhody magnetorezistivní paměti.
výhody:
- energetická nezávislost;
- vysoký výkon (rychlejší než DRAM, ale pomalejší než SRAM);
- není nutná regenerace buněk.
nedostatky:
- potíže s pomocí stávajících metod evidence;
- velká velikost paměťové buňky díky technologii záznamu;
- vysoká spotřeba energie ze stejného důvodu.
Tím končí recenze RAM. Samozřejmě existují i jiné typy paměti a metody provozní úložiště informace, ale zatím nejsou rozšířené nebo dokonce existují pouze teoreticky. V tomto článku je proto nebudeme uvažovat, ale rozhodně se tohoto tématu dotkneme v článcích věnovaných perspektivám rozvoje počítačová technologie.
Důležitým rysem výrobního procesu eMRAM společnosti Samsung je, že paměťový blok je přidán do čipu během montáže, balení a testování. To znamená, že blok eMRAM se vyrábí samostatně pouze pomocí tří fotomasek a lze jej přidat do čipu bez ohledu na použitý výrobní proces a bez vazby na planární nebo FinFET tranzistory. Obecně bez jakékoli vazby na základní řešení. Jednotku Samsung eMRAM tak lze přizpůsobit hotovým řešením, která jsou již dávno uvedena do sériové výroby a výrazně modernizují současný vývoj.
Samsung opět neuvádí přesný popis zařízení s eMRAM, které uvedl do sériové výroby. Podrobnější informace se dozvíme o něco později a vše vám prozradíme na našich stránkách. Doposud se uvádělo, že provozní rychlost eMRAM je 1000krát rychlejší než eNAND (eFlash). V ukázkovém videu výše společnost ukazuje, že rychlosti čtení z eMRAM a SRAM jsou stejné. Spotřeba v režimu zápisu do paměti eMRAM je pouze 1/400 oproti režimu zápisu eNAND a odolnost proti opotřebení je o několik řádů vyšší. Počítejte také, což Samsung v tiskové zprávě neuvádí, že jeho paměť eMRAM je nejspíš typu STT-MRAM se záznamem přenosu elektronového spinu. Ve skutečnosti je to indikováno indikátory energie v režimu nahrávání. Velmi ekonomická, energeticky nezávislá a rychlá paměť.
Je známo, že paměť MRAM má nižší latenci a lepší přístupovou rychlost než paměť NAND. Současně je MRAM energeticky nezávislá paměť, i když je z hlediska rychlosti přístupu poněkud horší než DRAM a SRAM. Paměť MRAM jako paměť zabudovaná do mikrokontrolérů a SoC zlepší spolehlivost a stabilitu běžné spotřební a nositelné elektroniky, elektroniky pro věci připojené k internetu a také řešení obvodů pro průmysl a automobily.
Partneři nemají v úmyslu setrvat na neurčito na 28nm procesní technologii a očekávají, že nakonec převedou výrobu vestavěných bloků MRAM na procesní technologii s nižšími výrobními standardy. Pár slov o Avalanche Technology. Společnost byla založena v roce 2006 Petrem Estakhrim. Petro Estakhri se stal zakladatelem a generálním ředitelem Avalanche. Dříve v roce 1996 založil a působil jako technologický ředitel společnosti Lexar Media, dokud ji v roce 2006 nezískala společnost Micron. Před Lexarem vyvinul Petro řadiče flash paměti pro Cirrus Logic. Můžete očekávat, že společnost UMC uzavřela smlouvu se správným vývojářem.
Přístup UMC k licencovaným výrobním technologiím MRAM je zvláště zajímavý z jednoho důležitého důvodu. Stejně tak UMC získala přístup k technologiím pro výrobu embedded DRAM pamětí a pamětí obecně. V této fázi se hrálo klíčová role při předávání technologií výroby DRAM Číňanům, k čemuž se zavázal například Micron. Podobným způsobem tedy možná technologie výroby MRAM přejde i do rukou čínských výrobců. Mimochodem, stejně jako zajímavou technologii výroby paměti na uhlíkových nanotrubičkách, kterou může UMC obdržet společně s továrnou Fujitsu.
Něco nového: paměti SOT-MRAM lze vyrábět v průmyslovém měřítku
Jak víme , energeticky nezávislá paměť STT-MRAM (spin-transfer moment MRAM) v současnosti vyrábí GlobalFoundries pod designem Everspin Technologies. Hustota 40nm čipů STT-MRAM je pouze 256 Mbit (32 MB), což je kompenzováno vysokou rychlostí provozu a větší odolností proti zničení při operacích mazání než v případě NAND paměti. Tyto vysoká kvalita STT-MRAM umožňují aplikaci magnetorezistivní paměti se záznamem dat pomocí spin-transfer momentu na místo v procesoru. Minimálně se bavíme o nahrazení polí SRAM poli STT-MRAM jako mezipaměti třetí úrovně (L3). A co cache L1 a L2?
Podle specialistů z belgického výzkumného centra Imec není paměť STT-MRAM příliš vhodná pro použití magnetorezistivní paměti MRAM jako energeticky nezávislé mezipaměti první a druhé úrovně. Tuto roli si nárokuje pokročilejší verze magnetorezistivní paměti, a to SOT-MRAM (spin-orbit moment MRAM). K zápisu do SOT-MRAM článku dochází také spinově polarizovaným proudem, ale pouze ve formě přenosu točivého momentu, pomocí spin-orbitální hybnosti elektronů.
Zásadní rozdíl spočívá ve schématu řízení tunelového spojení v rámci paměťové buňky a ve způsobu záznamu. Buňka STT-MRAM je tedy sendvič dvou tenkovrstvých struktur (oddělených dielektrikem), z nichž jedna má permanentní magnetizaci a druhá „volná“ - v závislosti na polarizaci přiváděného proudu. Zápis a čtení dat z takové buňky probíhá stejným způsobem, když proudy procházejí kolmo tunelovou křižovatkou. K opotřebení buněk tedy dochází jak při zápisu, tak při čtení, i když při čtení jsou proudy podstatně menší než při zápisu.
Buňka tunelového spojení SOT-MRAM, která také obsahuje volnou vrstvu a trvale magnetizovanou vrstvu, je zapsána proudem, který teče podél křižovatky tunelu spíše než všemi vrstvami. Změna „geometrie“ zdroje proudu, říká Imec, výrazně zvyšuje jak odolnost článku proti opotřebení, tak rychlost přepínání vrstev. Při porovnání provozu buněk STT-MRAM a SOT-MRAM vyrobených na stejném 300 mm waferu, pro SOT-MRAM odolnost proti opotřebení přesáhla 5·10 10 a rychlost přepínání buněk (zápis) se snížila z 5 ns na 210 ps (pikosekund ). Spotřeba byla na nízké úrovni 300 pJ (pikojouly).
Zvláštní kouzlo celého tohoto příběhu je v tom, že Imec ukázal schopnost vyrábět paměti SOT-MRAM na standardním vybavení na 300mm křemíkových substrátech. Jinými slovy, na praktické úrovni prokázali možnost zahájení hromadné výroby pamětí SOT-MRAM.
GlobalFoundries nabízí referenční 22nm řadiče s eMRAM
Dlouhodobé partnerství mezi GlobalFoundries a vývojářem magnetorezistivních pamětí eMRAM a MRAM Everspin Technologies již vyrobilo 40nm energeticky nezávislé paměťové čipy typu ST MRAM (Spin-Torque MRAM). Linky GlobalFoundries vyrábějí sériově vyráběné 256-Mbit 40nm ST MRAM čipy a experimentální 1-Gbit 28nm čipy. Paměť Everspin se vyrábí pomocí konvenčních monolitických křemíkových plátků.
V další fázi se GlobalFoundries chystá zvládnout výrobu ST MRAM pomocí FD-SOI waferů (plně ochuzený křemík na izolátoru) se standardy 22 nm (kódové označení procesní technologie 22FDX). V letošním roce bude technický proces 22FDX zaveden do sériové výroby v továrnách společnosti v Drážďanech a příští rok v novém výrobním závodě GlobalFoundries v Číně.
GlobalFoundries plánuje svým zákazníkům koncem roku 2018 nabídnout vestavěnou paměť eMRAM v kombinaci s referenčními mikrokontroléry. Společnost eVaderis je zodpovědná za vývoj řídicích jednotek a GlobalFoundries nabídne procesní technologii 22FDX a technologii pro integraci polí eMRAM do řídicí jednotky. Zákazníci si budou moci objednat integraci bloků NAND flash a SRAM do MCU eVaderis.
Technologický postup 22FDX vám umožní vytvářet řešení, která jsou ekonomická z hlediska spotřeby i plochy. Platforma v podobě eMRAM s eVaderis MCU bude distribuována ve formě IP bloků pro vlastní výrobu a pro integraci do zákaznických řešení GlobalFoundries. Ty by mohly zahrnovat ovladače pro věci připojené k internetu, včetně baterií napájených, ovladače pro spotřební a průmyslovou elektroniku a ovladače pro automobily.
Samsung je první, kdo vydal 28nm eMRAM na substrátech FD-SOI
Ve všech předchozích letech zůstala hlavními kroky rozvoje výroby polovodičů změna měřítka technologických standardů. Dnes, kdy je extrémně obtížné zmenšit velikost prvku na čipu, získávají na oblibě řešení, zejména přechod na polovodičové wafery s izolační vrstvou plně ochuzeného křemíku, neboli FD-SOI. STMicroelectronics již wafery FD-SOI aktivně využívá ve výrobě a GlobalFoundries a Samsung se na jejich použití chystají.
Minulý týden jsme se seznámili s plány GlobalFoundries, která na konci roku 2018 zahájí rizikovou výrobu procesní technologií 22FDX (22 nm). Společnost Samsung, jak vešlo ve známost z nedávného oficiálního prohlášení výrobce, brzy plánuje zahájit hromadnou výrobu řešení využívajících vlastní procesní technologii 28FDS (28 nm). Upozorňujeme, že technické procesy společností GlobalFoundries a Samsung jsou odlišné, i když v případě zpracování monolitického křemíku společnost GlobalFoundries licencovala technické procesy FinFET 28 nm a 14 nm od společnosti Samsung. GlobalFoundries licencovala procesní technologii 22FDX od STMicroelectronics.
Vrátíme-li se k oznámení společnosti Samsung, poznamenáváme, že výrobce oznámil vytvoření prvního v tomto odvětví digitální projekt vestavěná paměť eMRAM ve vztahu k procesní technologii 28FDS. Vydání prototypu bloku eMRAM se standardy 28 nm na waferech FD-SOI lze tedy očekávat koncem jara nebo začátkem léta příštího roku. Masová produkceřešení samozřejmě začnou ke konci roku 2018, kdy GlobalFoundries teprve uvidí první zkušená řešení, vyrobené technickým postupem 22FDX.
Princip ukládání informací do paměťové buňky MRAM
GlobalFoundries, využívající procesní technologii 22FDX, bude také vyrábět řešení s vestavěnou pamětí eMRAM. Magnetoresistive random access memory (MRAM) pracuje rychlostí blízkou rychlosti konvenční RAM. Velká plocha magnetorezistivní paměťové buňky neumožňuje výrobu prostorných čipů MRAM, což brání jejímu masovému výskytu v počítačové systémy. Zahájení výroby 28nm a 22nm krystalů MRAM slibuje vznik čipů s kapacitou 1 Gbit a vyšší. To již stačí na to, aby stejná SSD obdržela normální a energeticky nezávislou vyrovnávací paměť místo obvyklé paměti DDR. GlobalFoundries i Samsung dělají vše pro to, aby se to po roce 2018 stalo realitou.
GlobalFoundries se připravuje na vydání 22nm řadičů s pamětí eMRAM
Největší pokrok ve zvládnutí výroby tak nového typu energeticky nezávislé paměti, jako je MRAM (magnetorezistivní paměť), dnes udělala společnost GlobalFoundries. GlobalFoundries uzavřela dohodu o zavedení do výroby ST MRAM (Spin-Torque MRAM), který byl vyvinut společností Everspin Technologies. Jedná se o paměť, která zapisuje data do buňky pomocí elektronového spinového přenosu založeného na tunelovém efektu. Taková paměť je mnohem energeticky účinnější než NAND flash a je mnohem rychlejší a spolehlivější. Hlavním problémem MRAM je její relativně velká buňka a nízká hustota záznamu. GlobalFoundries tento problém postupně řeší.
V srpnu na akci Flash Summit 2017 GlobalFoundries a Everspin ukázaly nejpokročilejší a nejhustší paměti MRAM v tomto odvětví: sériově vyráběné a předprodukční 1Gbit 28nm čipy. Všechny tyto paměti vyrábí GlobalFoundries. Ale hlavní službou byla schopnost vyrábět řadiče a SoC s vestavěným paměťovým polem MRAM v zařízeních GlobalFoundries. Taková řešení se vyznačují rychlou a spolehlivou vestavěnou pamětí, ve které je provádění kódu téměř stejně rychlé jako v RAM. A GlobalFoundries nyní nabízí návrhářské nástroje pro 22nm řadiče s vestavěnou pamětí MRAM na waferech FD-SOI (full depletion layer silicon on insulator).
První návrhy řešení pro procesní technologii 22FDX s integrovanou pamětí MRAM budou sestaveny pro pilotní výrobu do prvního čtvrtletí roku 2018. Produkce rizik pro tyto projekty bude provedena na konci roku 2018. GlobalFoundries očekává, že proces 22FDX využijí návrháři spotřebitelských, průmyslových a automobilových ovladačů a bateriově napájených IoT řešení. Technologie 22FDX slibuje poměrně ekonomickou spotřebu na čipy a vysokou spolehlivost ukládání dat. Například buňky MRAM v procesní technologii 22FDX mohou uchovávat data bez ztráty po dobu 10 let při teplotě 125 stupňů Celsia. Experimenty také potvrzují, že během procesu přepájení paměti s ohřevem až na 260 stupňů buňky MRAM neztrácejí informace. Podobné vlastnosti jsou po palubní elektronice žádané a v praxi zaručeně najdou uplatnění.
TSMC bude vyrábět paměťové mikročipy eMRAM a eRRAM
Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) podle síťových zdrojů hodlá organizovat výrobu paměťových čipů nové generace.
Hovoříme o produktech MRAM a RRAM pro embedded zařízení. Připomeňme, že MRAM je magnetorezistivní paměť s náhodným přístupem: informace se v tomto případě ukládají pomocí magnetických momentů, nikoli elektrické náboje. Pokud jde o RRAM, jedná se o odporovou paměť s přímým přístupem, jejímž principem je změna odporu paměťové buňky vlivem přiloženého napětí. Je důležité poznamenat, že oba typy paměti jsou energeticky nezávislé, to znamená, že mohou ukládat zaznamenané informace při absenci externího napájení.
Uvádí se tedy, že TSMC plánuje zorganizovat rizikovou výrobu eMRAM (Embedded MRAM) v roce 2018 a eRRAM v roce 2019. Plánuje se použití 22nanometrové technologie.
Očekává se, že produkty eMRAM a eRRAM vydané na linkách TSMC budou použity v systémech pro chytrá auta, zařízení internetu věcí, všechny druhy mobilních gadgetů atd.
Zaznamenáváme také, že příští rok TSMC plánuje zahájit hromadnou výrobu produktů využívajících pokročilou 7nanometrovou technologii. Tato technika bude využita při výrobě mikročipů pro mobilní zařízení, vysoce výkonné výpočetní systémy a automobilovou techniku.
SK Hynix a Toshiba vytvářejí 4 Gbitový paměťový modul STT-MRAM
SK Hynix a Toshiba oznámily nové pokroky ve vývoji magnetorezistivní paměti (MRAM).
Informace v MRAM se ukládají spíše pomocí magnetických momentů než elektrických nábojů. Magnetické prvky jsou tvořeny dvěma feromagnetickými vrstvami oddělenými tenkou dielektrickou vrstvou. Jedna z vrstev je permanentní magnet magnetizovaný v určitém směru a magnetizace druhé vrstvy se mění vlivem vnějšího pole.
SK Hynix a Toshiba využívají technologii STT-MRAM - Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory. K přepisování paměťových buněk využívá „spin transfer“. Tento efekt umožňuje snížit množství proudu potřebného k zápisu informací do buňky.
Paměťový modul STT-MRAM, který vytvořili specialisté z SK Hynix a Toshiba, má kapacitu 4 Gbit. Skládá se z osmi bloků s kapacitou 512 Mbit každý. Produkt je energeticky nezávislý, má krátkou přístupovou dobu a vysokou rychlost přenosu dat.
Rozhodnutí společnosti bude podrobněji probráno na akci ISSCC 2017, která se bude konat v únoru. SK Hynix a Toshiba očekávají, že tento vývoj uvedou na komerční trh během dvou až tří let.
Uvolnění 256-Mbit paměti MRAM zvýší spolehlivost SSD
Slabé místo pohonů dál polovodičové paměti nebo SSD, zůstane mezipaměť z paměti DRAM. V v současné době Paměťové čipy DDR3 jsou široce používány jako vyrovnávací paměť. Již dlouho se plánovalo, že jako energeticky nezávislá vyrovnávací paměť SSD bude použit jeden z nových a slibných typů energeticky nezávislých pamětí – MRAM, RRAM, PCM nebo něco jiného (3D XPoint?). Ve skutečnosti jednotlivé disky nebo subsystémy pro ukládání dat do mezipaměti v rackových úložných systémech již využívají magnetorezistivní paměť MRAM a dokonce i paměť založenou na efektu proměnlivého fázového stavu hmoty (PCM). Široké použití pamětí MRAM a PCM je omezeno malou kapacitou těchto typů paměťových čipů. Do budoucna však vše slibuje změnu. A tato budoucnost může být blíž, než se očekávalo.
V rozhovoru pro EE Times Výkonný ředitel Společnost Everspin Technologies oznámila, že do konce roku bude zahájena výroba 1-Gbit čipů MRAM typu ST-MRAM. Varianta této paměti MRAM, ST-MRAM, je založena na efektu buněčného záznamu pomocí tunelového přenosu informací magnetickým spinem elektronů. Aktuálně Everspin zahájil sériovou výrobu pamětí ST-MRAM s kapacitou 256 Mbit (32 MB). Společnost je přesvědčena, že taková kapacita umožňuje paměti ST-MRAM, aby se s jistotou stala součástí SSD a stala se „nezničitelnou“ náhradou vyrovnávací paměti RAM, protože data v ST-MRAM se při vypnutí napájení neztratí. K dosažení tohoto cíle společnost vyrábí čipy ST-MRAM s rozhraními DDR3 a DDR4.
Everspin ST-MRAM byl dříve používán v systémech ukládání dat společností Dell v serverech PowerEdge a v úložných systémech PowerVault (DAS) a EqualLogic (SAN). LSI používala energeticky nezávislou ST-MRAM v jednotkách RAID k udržování historie transakcí a japonská společnost Melco ( ochranná známka Buffalo) dokonce vydal určité modely SSD s vyrovnávací pamětí z čipů ST-MRAM. S vydáním větší paměti ST-MRAM slibuje tato praxe rozšíření, což zvýší spolehlivost práce s SSD.
Moskevský institut fyziky a technologie (MIPT) a Crocus NanoElectronics (KNE) oznámily zahájení společného výzkumného programu pro vývoj a testování technologie pro výrobu magnetorezistivní paměti STT-MRAM.
Paměť MRAM ukládá informace pomocí magnetických momentů. Technologie STT-MRAM (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory) zase využívá „spin transfer“ k přepisování paměťových buněk. Využití tohoto efektu v tradiční magnetorezistivní paměti umožňuje snížit množství proudu potřebného k zápisu informace do buňky a také využít technologický proces se standardy od 90 do 22 nanometrů nebo méně.
Uvádí se, že MIPT a KNE zaměří své úsilí na vývoj nových materiálů, konstrukci mikročipů a také na vývoj metod pro jejich kontrolu a modelování. Výrobu pamětí STT-MRAM plánujeme organizovat v zařízeních KNE: technologická platforma této společnosti umožňuje výrobu produktů na bázi magnetických tunelových struktur s topologickým standardem až 90/65 nanometrů na waferech o průměru 300 mm.
« Výrobní zařízení naší společnosti jsou ideální pro vytváření vestavěných nebo diskrétních produktů založených na STT-MRAM. Očekáváme, že tato technologie bude brzy mít velký trh- to bude usnadněno převahou STT-MRAM v takových ukazatelích, jako je počet přepisovacích cyklů, rychlost a spotřeba energie“, informoval KNE.
Dodejme, že aktuálně vše největší producenti dynamická paměť s náhodným přístupem DRAM má své vlastní programy STT-MRAM - tuto technologii považován za hlavního kandidáta na nahrazení DRAM v blízké budoucnosti.
Nanogranulární feromagnetika se úspěšně používají k zápisu a čtení velkých kompaktních polí informací nejen na magnetických discích, ale také v počítačové paměti RAM.
Elementární buňka nejnovější magnetické paměti
Elementární buňkou takové paměti je nejčastěji vícevrstvá struktura (obr. 11.9), která kombinuje feromagnetický paměťový prvek a tunelový magnetorezistivní senzor.
Rýže. 11.9.
Feromagnet úložné vrstvy, ačkoli má koercitivní sílu dostatečnou k udržení zaznamenané informace po dlouhou dobu, může být stále přemagnetizován silným vnějším magnetickým polem. V publikacích týkajících se magnetorezistivní paměti se obvykle nazývá „volná“ feromagnetická vrstva. A magneticky tvrdá vrstva působí jako permanentní magnet, její koercitivní síla je mnohem větší a směr magnetizace zůstává nezměněn i v silných polích. V souladu s tím se obvykle nazývá „pevná“ feromagnetická vrstva. Graf vpravo ukazuje typickou závislost elektrického odporu takového článku na síle vnějšího magnetického pole. Když je zásobní vrstva magnetizována naproti pevné feromagnetické vrstvě, elektrický odpor článku je vysoký. Když vnější magnetické pole překročí koercitivní sílu paměťové vrstvy, dojde k jeho remagnetizaci, elektrický odpor článku prudce klesne a zůstane stejně nízký i po zániku vnějšího magnetického pole. To vám umožní kdykoli zkontrolovat, v jakém stavu ("0" nebo "1") je úložný prvek buňky.
RAM vytvořená z takových buněk se v anglických zdrojích nazývá MRAM ( magnetorezistentní paměť s náhodným přístupem). V domácích publikacích se také často nazývá „magnetorezistivní paměť“, i když to není zcela přesné. Koneckonců, informace (směr magnetizace) je zapamatována a uložena přesně ve feromagnetické úložné vrstvě, a už vůbec ne v magnetorezistivním senzoru. Proto by bylo přesnější nazývat tento typ paměti „magnetická paměť s náhodným přístupem“ (RAM). Ale takový název už v historii vývoje výpočetní techniky existoval: tak dlouho s názvem RAM na miniaturních feritových kroužcích, o kterých jsme se zmínili v předchozí přednášce. Abychom nevytvářeli důvody pro zmatek, budeme tento typ paměti také nazývat magnetorezistivní paměť s přímým přístupem nebo magnetorezistivní RAM(MROZU).
Matiční organizace MROZU
Magnetorezistivní články typu znázorněného na Obr. 11.9 může být v zásadě velmi malý (do 10 nm) a poměrně hustě zabalený. Vzhledem k nutnosti náhodného přístupu ke každému z nich při čtení a zápisu informací však není zdaleka snadné skutečně zajistit nejvyšší hustotu balení. Obvykle se používá organizace matice, kdy jsou paměťové buňky umístěny v průsečíkech dvou vzájemně kolmých systémů sběrnice-elektroda (obr. 11.10).
Rýže. 11.10.
Jeden z těchto sběrnicových systémů je připojen k výstupům dekodéru adres. Jedná se o adresové sběrnice, které se někdy také nazývají „sběrnice pro výběr slov“ nebo „sběrnice slov“. Když je do dekodéru RAM dodán adresový kód, dekodér aktivuje pouze jednu z těchto sběrnic, jejíž sériové číslo odpovídá dané adrese. Kolmé bitové řádky odpovídají jednotlivým bitům zvoleného slova, které se čtou nebo zapisují. Proto se těmto sběrnicím někdy také říká „bitové“ sběrnice.
Pro adresovatelné maticové vzorkování jednotlivých paměťových buněk je důležitá orientace osy snadné magnetizace úložné vrstvy. Použitá orientace osy snadné magnetizace v paměťových buňkách vzhledem ke sběrnicovému systému je na Obr. 11.11. Tato osa svírá úhel s každým systémem pneumatik.
Rýže. 11.11.
Schéma generování výstupních signálů v režimu čtení je na Obr. 11.12. -bitová binární adresa slova, které je třeba přečíst, je dodána do dekodéru Dsh. Podle této adresy Dsh „vybere“ jednu ze sběrnic, například thou adresovou sběrnici, a přivede na ni čtecí napětí. Množství elektrického proudu, který teče do každého bitového řádku, závisí na informaci zaznamenané v odpovídajícím bitu. Těmi paměťovými buňkami, jejichž odpor je vysoký, protéká relativně malý proud a těmi, jejichž odpor je nízký, protéká relativně velký proud.
Každá bitová sběrnice je připojena k vlastnímu obvodu pro zesílení a generování čteného signálu (UF1, UF2, UF3, ..., UFm), z jehož výstupů se paralelně čte -bitové binární slovo uložené v paměti.
Rýže. 11.12.
Informace jsou zaznamenávány číslicemi. Schematické schéma záznamu je na Obr. 11.13. Na začátku záznamu je -bitová binární adresa slova, které je třeba zapsat, předána dekodéru Dsh a jeho binární kód je přiveden do registru zapisovaného slova. Podle zadané adresy Dsh „vybere“ jednu ze sběrnic, například thou adresovou sběrnici, a otevře odpovídající ventil (například tranzistor MOS). Jeho prostřednictvím je na sběrnici zvoleného slova přiváděn elektrický proudový impuls ze zdroje záznamového proudu (RCS). Směr tohoto proudu je určen tím, který bit ("0" nebo "1") musí být zapsán. Registr zapisovaného slova střídavě vysílá signály do aktuálního zdroje každého bitového řádku (IT1, IT2, ..., ITm), pod jejichž vlivem je do bitového řádku přiváděn proudový impuls jednoho nebo druhého směru.
Proces nahrávání je znázorněn na obr. 11.14. Vlevo (obr. 11.14.a) je zobrazena magnetorezistivní paměťová matice. Šipky ukazují směry toku elektrického proudu vybranými bitovými a adresovými sběrnicemi. Přerušované čáry konvenčně zobrazují elektrické vedení magnetické pole odpovídajících proudů.
Rýže. 11.13.
) v paměťové vrstvě na opačnými směry aktuální (pohled shora). Směr magnetizace magneticky tvrdé (pevné) vrstvy článku je označen. V jednom případě elektrické proudy paměťová vrstva je remagnetizována paralelně a s opačnými směry proudů - antiparalelně. Velikost zapisovacích proudů musí být zvolena tak, aby magnetické pole vytvořené pouze jedním z proudů nestačilo k remagnetizaci buněk sousedících s odpovídající sběrnicí. A pouze společně působící na vybranou paměťovou buňku by tyto proudy měly vytvořit celkové magnetické pole, které překročí koercitivní sílu a přemagnetizuje paměťovou vrstvu v požadovaném směru.
