MRAM

MRAM ehk magnettakistuslik RAM on RAM-mälu, mida on arendatud alatest 1990ndatest. MRAM kasutab andmebittide salvestamiseks magnetlaenguid. Tüüpilised mälud, näiteks DRAM, kasutavad info salvestamiseks elektrilaenguid. Ehkki seni ei kasutata MRAM-mälusid veel kuigi laialdaselt, usuvad tehnoloogia pooldajad, et kord saab MRAM tänu oma paljudele eelistele standardiks igal pool.

Kirjeldus

Erinevalt tavalisest muutmälutehnoloogiast ei salvesta MRAM-mälu andmeid mitte elektri-, vaid magnetlaengute abil. Lihtsaima MRAMi konfiguratsiooni puhul on elemendid moodustatud kahest, õhukese isolatsioonikihiga eraldatud ferromagnetilisest plaadist, millest kumbki suudab hoida magnetvälja. Üks kahest plaadist on kindlale polaarsusele seatud püsimagnet, teist välja on mälu salvestamiseks võimalik muuta nii, et see oleks vastavuses ülejäänud väljaga.

Kõige lihtsam meetod mälust lugemiseks on elemendi elektritakistuse mõõtmine. Konkreetne element valitakse (tavaliselt) seotud transistori pingestamisega, mis lülitab voolu toitetorustikust läbi elemendi maandamiseks. Magnetilise tunneli mõju tõttu muutub elektritakistus elemendis kahe plaadi välja orientatsiooni tõttu. Saadud voolu mõõtmisega tehakse kindlaks takistus igas konkreetses elemendis ja tuletatakse sellest kirjutatava plaadi polaarsus. Tavaliselt omistatakse sama polaarsusega plaatide korral sellele väärtus "1", vastupidise polaarsusega plaatide korral "0".

Andmed kirjutatakse elementidesse erinevate vahenditega. Kõige lihtsamal juhul jääb iga element kirjutamisridade paari vahel täisnurga all üksteise kohal või all elemendi suhtes. Kui vool on neid läbinud, siis tekib põhjustatud magnetväli nende ühendumiskohal, mille kirjutatav plaat üles korjab. See tegevusmuster sarnaneb 1960ndatel laialdaselt kasutusel olnud põhimälusüsteemi omaga. Selline lähenemisviis eeldab vajaliku välja loomiseks üsna märkimisväärset voolu, seega pole MRAM hea kui tahta kasutada väikest võimsust, see on ühtlasi ka üks MRAMi suuremaid miinuseid. Seadme suuruse vähendamisel saabub hetk, kui indutseeritud väli kattub külgnevate lahtritega üle väikese ala, mis võib põhjustada valekirjed. See probleem, pool-valitud (või kirjutamis häire) probleem, määrab seda tüüpi elementidele kindlad suurused.

Lihtsustatud MRAM elemendi struktuur

Teine lähenemisviis, toggle -ežiim, kasutab multi-step kirjutamist muudetud mitmekihiliste elementidega. Lahter on modifitseeritud nii, et see sisaldaks "kunstliku antiferromagnetit", kus magnetvälja orientatsiooni edasi-tagasi üle pinna, nii et nii kinnitatud ja vaba kihid, mis koosnevad mitmekihilistest tornid isoleeritud õhuke "liidese kihiga". Saadud kihtidel on ainult kaks stabiilseteks olekut, mida saab ümber lülitada ühest teistele ajastades kirjutamise voolu kahel real nii et üks on veidi hiljem kui teine, seeläbi "pööravad" välja. Igasugune pinge mis on vähem kui täielik pinge mis on vajalik kirjutamiseks, suurendab flippimise resistentsust. See tähendab, et teised elemendid mis asuvad ühe kirjutus rea liinil ei kannata pool-valiku probleemi. Seega on võimalik väiksemad elementide suurused.

Üks uuem tehnika, spinnülekande pöördemoment (STT) (inglise keeles spin transfer switching), kasutab keerdjoondatud ("polariseeritud") elektrone, et tekitada pöördemoment domeenil. Spetsiifiliselt, kui elektronid mis voolavad kihti peavad muutma oma pööret, siis see arendab pöördemomenti, mis kantakse lähedal olevale kihile. See vähendab voolu suurust mida on vaja, et kirjutada need elemendid, mistõttu on seda vaja umbes sama palju kui lugemis protsessi jaoks. on mure, et" klassikalist"-tüüpi MRAM-elemendil on raskusi kõrge tiheduse juures kuna pinge, mis on kirjutamise ajal vajalik, see on probleem, mida STT väldib. Sel põhjusel loodavad STT pooldajad, et tehnikat hakatakse kasutama seadmete juures, mis on 65 nm ja väiksem. Negatiivne külg on see, et on vaja säilitada spin-sidusust. Üldiselt nõuab STT kirjutamiseks palju vähem voolu kui tavaline või toggle MRAM. Teadusuuringud selles valdkonnas näitavad, et STT voolu saab vähendada kuni 50 korda kasutades uut komposiitkonstruktsiooni. Samas on aga suurema kirjutamiskiiruse rakendamiseks vaja kasutada kõrgemat voolu.

Muud võimalikud seadistused sisaldavad "termiliselt abistatud üleminekud" (TAS-MRAM), mis kuumeneb kiiresti (meenutades järk-muutus mälu) magnetilise tunneli ristmiku kirjutamisprotsessi ajal ja hoiab MTJs stabiilselt külmema temperatuuri juures ülejäänud ajast; ja "vertikaalne transport MRAM" (VMRAM), mis kasutab voolu läbi vertikaalses veerus, et muuta magnetvälja orientatsiooni, geomeetriline paigutus, mis vähendab kirjutades häireprobleemi ja nii saab seda kasutada suurema tihedusega.

Ajalugu

• 1955 – töötati välja tänapäevaks juba ajalooks muutunud magnetic core memory mälutüüp, mis kasutas samal põhimõttel töötavat kirjutamis- ja lugemistsüklit kui MRAM.
• 1989 – IBM-i teadlased tegid palju olulisi avastusi giant magnetoresistive effect kohta õhukeste kilede struktuurides.
• 2000 – IBM ja Infineon lõid ühise MRAMi arendusprogrammi.
• 2002 – NVE teatas tehnolooiga vahetusest Cypress Semiconductor MRAM arendajatega.
• 2003 – toodi turule 128 kbit MRAM-kiipi, mis oli toodetud 0,18-mikromeetrisel tehnoloogial

2004

• Juuni – Infineon teatas 16 Mbit prototüübist, mis põhines 0,18-mikromeetrisel tehnoloogial.
• September – MRAM sai Freescale’i standardtooteks
• Oktoober – Taiwani arendajad lõid 1-megabitise MRAM TSMC ettevõttes.
• Oktoober – Micron lõpetas MRAMi arendusprojekti teiste mälutehnoloogiate arenduse nimel.
• Detsember – TSMC, NEC, Toshiba kirjeldavad novel (novel=üks mälu tehnoloogia) MRAM mälurakke.
• Detsember – Renesas Technology arendab välja väga kiire ja veavaba MRAM-tehnoloogia.

2005

• Jaanuar – Cypress demonstreerib MRAMi, kasutades NVE patenti.
• Märts – Cypress loobub MRAM-i arendusest ja müüb enda MRAMi arendusosakonna maha. Põhjenduseks toodi, et nad arvavad, et MRAM jääb igavesti nišitooteks ja ei suuda SRAMi asendada.
• Juuni – Honeywell avaldas 1-megabitise 0,15-mikromeetrise tehnoloogiat kasutava MRAMi spetsifikatsiooni.
• August – suudeti luua 2 GHz kiirusega MRAM-tehnoloogia.
• November – Renesas Technology ja Grandis teevad koostööd, et arendada välja 65 nm tehnoloogiaga MRAM.
• Detsember – Sony teatas esimesest laboratooriumis toodetud spin torque transfer tehnoloogial MRAMist, millega saavutati oluline voolutarbimise kokkuhoid ja mille tõttu suudeti mälurakud mõõtmetelt veelgi väiksemaks teha.
• Detsember – Freescale Semiconductor teatab avalikkusele MRAMist, mis kasutab isolaatorina alumiiniumoksiidi asemel magneesiumoksiidi. Niimoodi saavutati õhem tunnel, see aga omakorda vähendab tarbitava voolu hulka kirjutamistsükli ajal.

Võrdlus

Võrreldes teiste tehnoloogiatega on MRAMil:

• suur magnettakistus (TMR) EELIS
• suur takistus EELIS
• kontrollitav takistus EELIS
• väike temperatuuritundlikkus EELIS
• suure TMR-i korral võimalus mäluelemendi suurust vähendada EELIS
• suurema pinge puhul TMR väheneb PUUDUS

Suur magnettakistus on oluline, et saavutada kõrget signaali väärtus mäluelemendist, eriti kui tahetakse kiiresti lugemeid saada. Kiire lugemi saamiseks on vaja magnetilise tunneli kõrget takistust, seda saavutatakse viimase õhukese paksusega. Kusjuures takistust saab mõningal määral juhtida viimase paksust muutes. Kuna magnettakistus ei muutu temperatuurist (alles Curie punkti ~500 °C juures hakkab muutuma), siis on inseneridel väga mugav luua mäluseadmeid töötama ka ekstreemtemperatuuride jaoks. See, et pinge väheneb suurema TMRi juures, on halb just mäluelemendi väärtuse lugemise seisukohalt.

Boldis oleva näitaja suhtes on MRAMil eelis – MRAMil on olematu andmete uuendamiseks vajatav energiakulu, lõpmatu arv kirjutamise võimalus mäluelementi, madal kirjutamise energiakulu võrreldes välkmäluga.

Kasutatakse

MRAM on äratanud tähelepanu sõjatööstuses. Radioaktiivsed tuumaraketid, tuuma-allveelaevad. Sõjatööstus oligi esimene MRAMi tarbija (HoneWelli MRAM kiibid) kuna MRAM on radioaktiivsuskindel.

Veel võimalikke MRAMI kasutusalasid:

• astronautika <- radioaktiivsuskindel
• digitaalkaamerad
• sülearvutid
• kiipkaardid
• mobiiltelefonid, iPodid
• PC-des HDD asendaja – võimaldab hetkelist OS-i booti (mis tähendab, et näiteks Windows käivituks millisekundite jooksul)
• patareiga varustatud SRAM-i asendaja <- pikem tööaeg
• andmeid logisse kirjutavad mälud (black box)
• Personal Life Recorder – utoopiline audio-videosalvesti inimese keha küljes, mis salvestab kõik inimese eluajal kogetu. MRAM teeb selle võimalikuks tänu sellele, et MRAMi eeldatav andmemaht ruumalaühiku kohta on ligi 400 korda tihedam kui seni maailma kõige tihedama (high density) HDD oma.

Konkurendid

On ka teisi uusi võimalikke tehnoloogiaid, mis võivad MRAMi asemel õitsele puhkeda, teised neist jälle MRAMi kasutusvõimalusi täiendada. Holograafiline talletus – kasutab laserkiirt andmete salvestamiseks. Andmed kirjutatakse laserkiirega kristallide ja fotopolümeeride sisse. Erinevalt DVDst kasutatakse andmete talletamiseks aine ruumala, mitte ainult pinda. Holograafilise mälu suureks puuduseks on see, et andmed on sinna ainult ühekordselt kirjutatavad – kirjutatud andmeid ei saa enam kustutada ega üle kirjutada. Käsil on projekt, kus luuakse terabaidi (1 TB ~ 1000 GB) suurust holograafilist mälu.

Veel üks olulisem võimalik MRAMi konkurent on F-RAM (ferroelektriline RAM), mis olemuselt sarnaneb MRAMiga – on korduvkirjutatav, toite eemaldamisel jääb informatsioon mällu jne. F-RAMi eelised praegu turul oleva välkmälu ees: väiksem voolutarve, suurem kirjutuskiirus, palju suurem maksimaalne mälupesasse kirjutusarv (10e 16 3,3V seadme puhul). F-RAM mälukiibid on juba 1990. aastatest turul erinevates seadmetes saadaval, kuid siiani pole see populaarseks saanud eelkõige põhjusel, et F-RAM tehnolooiga peab minema väiksemaks (vaja on suuremat andmete tihedust rummala ühiku kohta).