Magnetorezistivní paměť s náhodným přístupem (MRAM - anglicky magnetoresistive random-access memory ) je paměťové zařízení s náhodným přístupem založené na rotačních ventilech . Ukládá informace pomocí magnetických momentů spíše než elektrických nábojů .
Výhodou tohoto typu paměti je nevolatilita , 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. Ve srovnání s rostoucí produkcí jiných typů počítačových pamětí, zejména pamětí flash a DRAM , není zatím na trhu široce dostupná. Jeho zastánci se však domnívají, že díky řadě výhod může nahradit jiné typy počítačových pamětí a stát se skutečně „univerzálním“ základem pro úložná zařízení. Moderní varianty magnetorezistivních pamětí jsou v současnosti vyráběny STT-MRAM ( spin-transfer moment MRAM , záznam dat pomocí spinového přenosu momentu) [1] a perspektivní SOT-MRAM (spin-orbit moment MRAM, záznam dat pomocí spin-orbit rotačního momentu) [ 2] [3] .
Od roku 2013 se masová výroba mikročipů a vestavěných paměťových buněk MRAM v Rusku provádí v Moskvě v závodě Crocus Nanoelectronics. [čtyři]
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 dielektrickou vrstvou . 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 sestávající ze samostatných "buněk" obsahujících paměťový prvek a tranzistor.
Čtení informací se provádí měřením elektrického odporu článku. Samostatná buňka je (obvykle) vybrána přivedením energie do jejího odpovídajícího tranzistoru , 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 lze 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 zapisovat do buněk pomocí různých metod. V nejjednodušším případě leží každá buňka mezi dvěma řádky záznamu umístěnými v pravém úhlu k sobě, jedna nad a jedna pod buňkou. Když jimi prochází proud, v místě průsečíku zapisovacích čar 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 pro generování pole poměrně velký proud, a proto nejsou příliš vhodné pro přenosná zařízení, kde je důležitá nízká spotřeba energie, což je jedna z hlavních nevýhod MRAM. S úbytkem velikosti čipů navíc přijde doba, kdy bude indukované pole na malé ploše překrývat sousední buňky, což povede k možným chybám zápisu. Z tohoto důvodu musí být v tomto typu paměti MRAM použity buňky dostatečně velké velikosti. Jedním z experimentálních řešení tohoto problému bylo použití kruhových domén čtených a zapsaných obřím reluktančním efektem , ale výzkum v tomto směru se již neprovádí.
Další přístup – přepínání režimů – využívá vícekrokový záznam s upravenou vícevrstvou buňkou. Buňka je upravena tak, aby obsahovala umělý antiferomagnet , kde se magnetická orientace střídá tam a zpět po povrchu, přičemž obě (připojené i volné) vrstvy jsou tvořeny vícevrstvými svazky izolovanými tenkou „spojovací vrstvou“. Výsledné vrstvy mají pouze dva stabilní stavy, které lze přepínat z jednoho do druhého časováním zapisovacího proudu na dvou linkách, takže jedna je trochu zpožděna a tím se pole „rotuje“. Jakékoli napětí nižší než plná úroveň zápisu ve skutečnosti zvyšuje jeho odolnost vůči přepínání. To znamená, že buňky umístěné podél jedné ze záznamových linií nebudou vystaveny účinku neúmyslného obrácení magnetizace, což umožňuje použití menších velikostí buněk.
Nová technologie přenosu spinového momentu (spin-torque-transfer-STT) neboli spin-transfer spínání 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 pro čtení a zápis je přibližně stejná. Technologie STT by měla vyřešit problémy, kterým bude „klasická“ technologie MRAM čelit se zvyšující se hustotou paměťových buněk a odpovídajícím nárůstem proudu potřebného pro záznam. Proto bude technologie STT relevantní při použití procesu 65 nm nebo méně. Nevýhodou je, že STT v současné době potřebuje více proudu k pohonu tranzistoru ke spínání než konvenční MRAM, což znamená, že je zapotřebí velký tranzistor a potřeba zachovat rotační koherenci . Obecně, navzdory tomu, STT vyžaduje mnohem menší zapisovací proud než běžná nebo přepínací MRAM.
Dalšími možnými způsoby, jak vyvinout technologii magnetorezistivní paměti, je technologie tepelného přepínání (TAS-Thermal Assisted Switching), při které se během procesu zápisu přechod magnetického tunelu rychle zahřeje (jako PRAM) a po zbytek času zůstane stabilní při nižší teplotě, stejně 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 možná hustota buněk.
Náklady na výrobu paměťových čipů primárně závisí na hustotě umístění jednotlivých buněk v něm. Čím menší je velikost jednoho článku, tím více jich lze umístit na jeden čip a podle toho lze z jednoho křemíkového plátku vyrobit větší počet čipů najednou. To zlepšuje výtěžnost dobrých produktů a snižuje náklady na výrobu mikroobvodů.
V paměti DRAM se jako paměťové prvky používají kondenzátory , vodiči k nim a z nich vedou proud a řídicí tranzistory jsou články typu „1T / 1C“. Kondenzátor se skládá ze dvou malých kovových destiček oddělených tenkou dielektrickou vrstvou, lze jej vyrobit tak malý, jak to současný vývoj technologického procesu umožňuje. Paměť DRAM má nejvyšší hustotu buněk ze všech dostupných typů paměti, například ve srovnání s SRAM . Většina moderních paměťových čipů DRAM má velikost buňky 32 x 20 nm. Díky tomu je nejlevnější, a proto se používá jako hlavní RAM počítačů.
Paměťová buňka MRAM je svou konstrukcí podobná buňce DRAM, i když někdy nepoužívá k zápisu informace tranzistor. Nicméně, jak se lineární rozměry prvků MRAM zmenšují, existuje možnost překrytí sousedních buněk vnějším magnetickým polem a záznam falešných dat (efekt polovičního výběru nebo porušení záznamu). Kvůli této překážce je velikost buňky v konvenční technologii MRAM omezena zdola na 180 nm [5] . Pomocí technologie MRAM s přepínáním režimů lze dosáhnout mnohem menší velikosti buňky, než se efekt poloviční selekce stane problémem, kolem 90 nm [6] . To jsou dostatečně dobré vlastnosti, aby mohly být zavedeny do výroby, a existují vyhlídky na dosažení velikosti magnetorezistivní paměti 65 nm nebo méně.
Pouze jedna moderní paměťová technologie může v rychlosti konkurovat magnetorezistivní paměti. Toto je statická paměť nebo SRAM . Paměťové buňky SRAM jsou klopné obvody , které uchovávají jeden ze dvou stavů tak dlouho, dokud je dodávána energie. Každý klopný obvod se skládá z několika tranzistorů. Protože tranzistory mají velmi nízkou spotřebu energie, jejich spínací doba je velmi krátká. Protože se ale paměťová buňka SRAM skládá z více tranzistorů – obvykle čtyř nebo šesti – je její plocha větší než u paměťové buňky typu DRAM. Díky tomu je SRAM dražší, takže se používá pouze v malých množstvích, jako zvláště rychlá paměť, jako je vyrovnávací paměť a registry procesoru ve většině moderních modelů centrálních procesorových jednotek . Neměli bychom také zapomínat, že i nyní procesory vytvářejí několik úrovní mezipaměti s různou rychlostí a velikostí.
Protože kondenzátory používané v čipech DRAM časem ztrácejí svůj náboj, musí paměťové čipy, které je používají, pravidelně aktualizovat obsah všech buněk, číst každou buňku a přepisovat její obsah. To vyžaduje neustálé napájení, takže jakmile se vypne napájení počítače, paměť DRAM ztratí všechny uložené informace. Čím menší je paměťová buňka, tím více obnovovacích cyklů je potřeba a v důsledku toho se zvyšuje spotřeba energie.
Na rozdíl od DRAM nevyžaduje MRAM neustálou aktualizaci. To znamená nejen to, že paměť uchovává informace, které jsou do ní zapsány, když je napájení vypnuto, ale také to, že při absenci čtení nebo zápisu se nespotřebovává vůbec žádná energie. Přestože by MRAM měla teoreticky spotřebovat při čtení informací více energie než DRAM, v praxi je spotřeba při čtení téměř stejná. Proces zápisu však vyžaduje 3-8krát i vícekrát více energie než čtení, tato energie se vynakládá na změnu magnetického pole. Přestože přesné množství ušetřené energie závisí na povaze práce – častější zápisy budou vyžadovat více energie – obecně se očekává nižší spotřeba energie (až o 99 % nižší) ve srovnání s DRAM . S technologií STT MRAM je spotřeba energie pro zápis i čtení přibližně stejná a celková spotřeba energie je ještě nižší.
Magnetorezistivní paměť lze porovnat s jiným konkurenčním typem paměti, pamětí flash . Stejně jako magnetorezistivní paměť je i flash paměť energeticky nezávislá. Flash paměť neztrácí informace po vypnutí napájení, takže je velmi vhodná pro výměnu pevných disků v přenosných zařízeních, jako jsou digitální přehrávače nebo digitální fotoaparáty. Při čtení informací jsou flash paměti a MRAM z hlediska spotřeby energie téměř stejné. K zápisu informací do flash paměťových čipů je však nutný silný napěťový impuls (asi 10 V), který se po určité době při čerpání náboje akumuluje - to vyžaduje hodně energie a času. Kromě toho aktuální impuls fyzicky zničí buňky flash paměti a informace do flash paměti lze zapsat pouze omezeně, než paměťová buňka selže.
Na rozdíl od flash paměti vyžadují čipy MRAM o něco více energie k zápisu než ke čtení. Zároveň ale není nutné zvyšovat napětí a není potřeba žádné čerpání náboje. To vede k rychlejšímu provozu, nižší spotřebě energie a bez omezení životnosti. Očekává se, že flash paměť bude prvním typem paměťového čipu, který bude nakonec nahrazen MRAM.
Rychlost paměti DRAM je omezena rychlostí, kterou lze vybít náboj uložený v článcích (pro čtení) nebo akumulovat (pro zápis). Provoz MRAM je založen na měření napětí, které je výhodnější než provoz s proudy, protože přechodové jevy jsou rychlejší. Výzkumníci z belgického institutu IMEC demonstrovali zařízení SAT-MRAM s přístupovými časy řádově 0,2 ns (210 pikosekund) [7] , což je znatelně lepší než i ty nejpokročilejší DRAM a SRAM. Výhody oproti Flash-paměti jsou výraznější - jejich doba čtení je téměř stejná, ale doba zápisu v MRAM je desetitisíckrát kratší.
Moderní magnetorezistivní paměti jsou rychlejší než paměti SRAM, v této kapacitě jsou docela zajímavé. Má vyšší hustotu a návrháři CPU by si v budoucnu mohli vybrat mezi větším množstvím pomalejší MRAM a menším množstvím rychlejší SRAM pro použití mezipaměti .
Magneto-odporová paměť má rychlost srovnatelnou s pamětí SRAM , stejnou hustotu buněk, ale menší spotřebu energie než paměť DRAM , je rychlejší a netrpí časem degradace ve srovnání s pamětí flash . Právě tato kombinace vlastností z něj může udělat „univerzální paměť“ schopnou nahradit SRAM, DRAM a EEPROM a Flash. To vysvětluje velké množství studií zaměřených na jeho vývoj.
Samozřejmě, v tuto chvíli MRAM ještě není připravena pro široké použití. Obrovská poptávka na trhu flash pamětí nutí výrobce agresivně zavádět nové výrobní procesy. Nejnovější továrny, jako jsou 16GB flash paměťové čipy Samsung, používají 50nm proces . Starší výrobní linky vyrábějí paměťové čipy DDR2 DRAM pomocí 90nm procesní technologie předchozí generace.
Magneto-odporová paměť je stále z velké části „ve vývoji“ a vyrábí se pomocí zastaralých výrobních postupů. Vzhledem k tomu, že poptávka po flash paměti v současnosti převyšuje nabídku, bude trvat dlouho, než se společnost rozhodne převést jeden ze svých nejmodernějších výrobních závodů na výrobu magnetorezistivních paměťových čipů. Ale i v tomto případě konstrukce magnetorezistivní paměti aktuálně prohrává s flash pamětí z hlediska velikosti buněk, a to i při použití stejných technologických postupů.
Další vysokorychlostní pamětí, která je v aktivním vývoji, je Antifuse ROM. Tím, že je jednou programovatelný, je vhodný pouze pro neměnné programy a data, ale z hlediska rychlosti umožňuje i provoz na okamžité frekvenci procesoru, podobně jako SRAM a MRAM. Antifuse ROM je aktivně implementována v řadičích a FPGA, kde je softwarový produkt integrální součástí hardwaru. Antifuse ROM články jsou potenciálně kompaktnější, technologicky vyspělejší a levnější než MRAM články, ale tato vyhlídka také není zveřejněna, podobně jako MRAM. Vzhledem k tomu, že mnoho uživatelů často používá flash disky k archivaci, například fotografií, pro které není flash paměť po mnoho let určena kvůli problémům s mnohaletým uchováním nabití, tedy vlastně používání flash paměti jako ROM, na spotřebitelském trhu Antifuse ROM, která je jakýmsi nástupcem CD-R, může počítat i se „sdílením trhu“ s MRAM.
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2016
2017
2018
2019
Paměť MRAM se má používat v zařízeních, jako jsou: