MRAM - w poszukiwaniu pamięci uniwersalnej

Działy badawcze nieustannie pracują nad nowymi technologiami w obszarze przechowywania informacji. Dotarcie do granic technologicznych w przypadku wielu wykorzystywanych typów pamięci jest jedynie kwestią czasu. Stąd m.in. zainteresowanie MRAM - Magnetoresistive Random Access Memory, rodzajem pamięci opartej na tunelowym efekcie magnetorezystancyjnym, gdzie wykorzystywane jest zjawisko magnetooporu. Ten rodzaj pamięci leży w obszarze zainteresowania potężnych koncernów, w tym m.in. IBM, Samsunga, Everspin (dawniej Freescale Semiconductor będący częścią Motoroli). Korzyści wynikające z możliwości zastąpienia pamięci DRAM i NAND są w tym przypadku kuszącą perspektywą.

Atrybuty MRAM

MRAM jest rodzajem pamięci nieulotnej z możliwością adresowania dowolnie wybranej komórki. Oferuje duże pojemności i nie wymaga energii do podtrzymywania przechowywanej informacji. Zastosowana w tym przypadku technologia zapewnia bardzo dużą wytrzymałość komórki na zużycie (kasowanie/zapis na poziomie 1 mln cykli), oraz krótki czas dostępu (rzędu kilku nanosekund). MRAM pod względem wydajności zbliżona jest do SRAM, zaś gęstość upakowania komórek pamięci wygląda podobnie jak w przypadku kości DRAM. Charakterystyki dopełnia długi okres magazynowania danych (na poziomie 10 lat nawet przy podwyższonej temperaturze do 200 stopni Celsjusza), oraz niski poziom zużycia energii.

Dzięki swoim cechom MRAM może stać się pamięcią uniwersalną - zastąpić DRAM, ale również posłużyć do magazynowania informacji, występując w roli flash czy EPROM.

Wielkość pojedynczej komórki MRAM w najprostszej konfiguracji (pojedynczy tranzystor/magnetyczne złącze tunelowe) porównywalna jest z wielkością komórki pamięci RAM (tranzystor/kondensator). Jednak w zależności od rozmiaru komórki i architektury pamięci zmianie ulegają także jej właściwości. Najmniejszy rozmiar komórki oznacza największą szybkość zapisu, okupioną jednak obniżoną trwałością przechowywanej informacji oraz koniecznością stosowania podczas procedury odczytu bardzo wysokiej czułości układów pomiarowych. Zwiększenie rozmiaru komórki skutkuje wzrostem czasu retencji oraz precyzji odczytu kosztem czasu operacji zapisu.

Budowa i działanie pamięci MRAM

W działaniu pamięci wykorzystywany jest moment przeniesienia spinu, umożliwiający modyfikację magnetycznego złącza tunelowego lub zaworu spinowego za pomocą prądu polaryzującego spin.

Moduł pamięci MRAM zbudowany jest z prostopadle ułożonych warstw elektrod. Miejsce ich skrzyżowania stanowi komórka pamięci. MRAM w celu przechowania informacji wykorzystuje stany magnetyczne. Podstawą konstrukcyjną MRAM jest złącze magnetyczno-tunelowe (MTJ), które składa się z dwóch warstw ferromagnetycznych (FM) rozdzielonych izolującą barierą tunelową. Przy równoległej magnetyzacji dwóch warstw, elektrony z łatwością przechodzą przez barierę pomiędzy warstwami, wchodząc w stan niskiej rezystancji. Jednakże, przy antyrównoległej konfiguracji namagnesowania warstw, tunelowanie elektronów staje się trudne, powodując stan wyższej rezystancji. Jednym z najważniejszych parametrów złącza MTJ jest magnetoopór tunelowy (TMR), który określa ilościowo rozróżnialność stanów wysokiej i niskiej rezystancji. Manipulując namagnesowaniem jednej z warstw, informacje w złączu mogą być przechowywane jako „1” (stan wysokiej rezystancji) lub „0” (stan niskiej rezystancji), odczyt zaś następuje poprzez pomiar rezystancji złącza. Jedna z warstw magnetycznych posiada zatem na stałe określoną polaryzację, polaryzacja drugiej warstwy może być zmieniana przez przepływ prądu elektrycznego.

Zastosowanie

Pamięci tego rodzaju już zaczęły być wykorzystywane m.in. w roli nieulotnej pamięć cache dla kontrolerów RAID oraz dysków SSD. MRAM ma szansę zaistnieć w urządzeniach Internetu Rzeczy (IoT), mikrokontrolerach (MCU), oraz sztucznej inteligencji (AI). Może znaleźć zastosowanie w lotnictwie, motoryzacji, automatyzacji produkcji. Szacunki przewidują znaczący wzrost wykorzystania tego rodzaju pamięci. Jeśli rozwiązania z wykorzystaniem MRAM będą się sprawdzać, implementacje tego rodzaju pamięci osiągać będą coraz szerszy zakres, znajdując swoje miejsce także w innych typach urządzeń.

Pavel Kroupka