магниторезистивная память MRAM компании Everspin

память
компоненты
51
Магниторезистивная
память MRAM
компании Everspin Technologies
Сергей Бабурин
Андрей Самоделов
Обзор технологии MRAM
Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) компании Everspin
объединяет магнитные запоминающие элементы со стандартным технологическим процессом КМОП-логики (CMOS), в результате
чего достигается высокая логическая емкость,
низкая стоимость, полная энергонезависимость, высочайшая скорость чтения/записи,
как у SRAM, и неограниченное количество
циклов чтения/записи — сочетание свойств,
которым не обладает ни одна другая технология стандартной или энергонезависимой
памяти.
Сравнение микросхем памяти с параллельным интерфейсом и произвольной выборкой объемом 1 Мбит различных технологий
изготовления приведено в таблице 1.
История компании Everspin Technologies началась 9 июня 2008 г., когда корпорация Freescale объявила о решении создать самостоятельную
компанию по производству новейшей на то время магниторезистивной
памяти с произвольным доступом — MRAM. Этот тип памяти базируется на квантовых магнитных ячейках, основанных на эффекте Савченко.
Технология MRAM сделала шаг вперед относительно всех существующих
видов энергонезависимой памяти: в ней для хранения информации используется магнитная поляризация вместо электрического заряда. Модули
MRAM могут хранить информацию неограниченное количество лет, имея
скорость чтения/записи, сравнимую со специальными быстродействующими модулями SRAM (Fast asyncSRAM). В технологии MRAM применяются маленькие, простые ячейки для получения памяти с большой удельной
плотностью хранения информации и низкой стоимостью.
Авторы подробно рассматривают принцип работы MRAM, особенности ее
применения, а также отвечают на вопрос, какую выгоду может получить
разработчик, выбирающий способ организации хранения данных.
В статье приведен обзор линейки устройств MRAM компании Everspin.
Ячейка памяти MRAM Everspin состоит из одного управляющего транзистора
и одной ячейки памяти на основе магнитного туннельного эффекта (Magnetic Tunnel
Junction, MTJ). Изделия MRAM производятся
на основе 180‑ и 130‑нм CMOS-процесса, при
котором используются пять уровней металлизации, включая шины программирования,
окруженные материалом с высокой проницаемостью для концентрации магнитного
потока. Запатентованная компанией Everspin
архитектура, структура запоминающих элементов и технология режима переключения
ячеек памяти обеспечили появление энергонезависимой памяти с наилучшими в своем
классе производительностью и высокой надежностью.
Основные преимущества памяти MRAM
приведены в таблице 2.
Таблица 1. Сравнительные характеристики различных микросхем памяти
Характеристики
BBSRAM
FRAM
nvSRAM
Быстродействие, нс
45
90
25
35
Активный ток (чтение/запись), мА
16/16
12
55/55
30/65
Ток в режиме Standby
4 мкА
150 мкА
5 мА
7 мА
Количество циклов перезаписи
Бесконечно
1014 (негативное влияние
со стороны архитектуры
«деструктивного чтения»)
Бесконечно (для SRAM,
но ограничено значением 106
для EEPROM)
Бесконечно
Время хранения информации, лет
10 (зависит от батареи)
10
20
>20
Батарея резервного источника
электропитания
Да
Нет
Нет
Нет
Внешний конденсатор
Нет
Нет
Да
Нет
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2012
Toggle MRAM
Общее описание MRAM
MRAM основана на магнитных запоминающих элементах, интегрированных в CMOS
технологический процесс. Каждая ячейка хранения построена на базе MTJ. Сама
MTJ-ячейка представляет собой структуру
из нескольких слоев: слоя с фиксированной
поляризацией, тонкого диэлектрического
туннельного барьера и свободного магнитного слоя. Когда на такой MTJ-элемент подается
смещение, электроны поляризуются магнитным слоем и пересекают диэлектрический
барьер за счет процесса, известного как туннелирование. Таким образом, MTJ-элемент
имеет малое сопротивление, когда магнитный момент свободного слоя сонаправлен
магнитному моменту фиксированного слоя,
и высокое сопротивление, когда магнитный
момент свободного слоя противонаправлен
магнитному моменту фиксированного слоя.
Такие изменения сопротивления, вызванные
изменением магнитного состояния устройства, известны как магниторезистивный эффект. Отсюда и произошло название — магниторезистивная RAM.
В отличие от большинства других технологий изготовления памяти в MRAM
данные хранятся как магнитные состояния
вместо электрических зарядов и считываются путем измерения сопротивления ячейки, без влияния на ее магнитное состояние.
www.kite.ru
компоненты
52
память
Таблица 2. Основные преимущества памяти MRAM
Абсолютная
энергонезависимость
Быстродействие
Полностью неограниченное количество
циклов перезаписи
Ток потребления
Простой интерфейс
Маленький низкопрофильный корпус
Отсутствие необходимости использовать внешние батареи, ионисторы, а также гарантированная сохранность данных
при «падении» системы по праву выводят MRAM в класс абсолютно энергонезависимых запоминающих устройств
Время циклов чтения/записи, равное 35 нс, позволяет MRAM быть самой быстродействующей памятью
из класса энергонезависимых устройств, а также ставит ее в один ряд с быстродействующей SRAM
MRAM гарантированно лишена ограничения по количеству максимально возможных циклов перезаписи,
что выгодно отличает ее от всех других типов энергонезависимых устройств, в том числе и FRAM.
Этот параметр подтверждает производитель в спецификации на устройства
Несмотря на указанные 30/65 мА в режиме перезаписи всего массива информации, фактическое энергопотребление
оказывается существенно ниже, так как необходимо перезаписывать только тот бит данных, состояние которого нужно
изменить. Возможность моментального включения/выключения MRAM также позволяет в конечном итоге снизить Icc
Параллельная MRAM (8- и 16-разрядная) имеет сравнимое с обычной SRAM время чтения/записи и асинхронный
интерфейс, который используется в стандартных SRAM. Последовательная MRAM имеет тот же SPI-интерфейс,
что и Flash или EEPROM, но может работать на частоте обмена данными порядка 40 МГц и не имеет задержек при записи
Микросхемы MRAM Everspin выпускаются в корпусах малых размеров и низкопрофильных TSOP-, BGA- и DFN-корпусах,
что позволяет экономить место на печатной плате
Совместимость
pin-to-pin
с другими ЗУ
Существующие у производителя корпуса MRAM полностью повыводно и сигнально совместимы с устройствами
других производителей EEPROM, Flash, SRAM и FRAM. А ставшие недавно доступными уменьшенные DFN-корпуса
(модели с окончанием *CDF) с уменьшенным профилем (сокращена площадь и толщина металлической площадки
на «дне» микросхемы) позволяют использовать их без проблем даже тогда, когда на посадочном месте SO-8
на плате проведена сигнальная дорожка
Широкий
температурный
диапазон и высочайшая
надежность
MRAM представляет собой 3-В энергонезависимую RAM с высокой плотностью ячеек и может работать
в широком температурном диапазоне от –40 до +125 °С. При этом данные сохраняются больше чем 20 лет
после каждой операции перезаписи. MRAM не обладает свойством утечки заряда,
которая ограничивает время хранения данных в других технологиях
Высокая
радиационная
стойкость
Стандартные MRAM компании Everspin показали стойкость к воздействию ионизирующего излучения 75 крад
и устойчивость к «защелкиванию» от потока тяжелых заряженных частиц 84 МэВ·см2/мг. На основе MRAM Everspin
производитель радиационно-защищенных электронных компонентов Aeroflex выпускает свои устройства емкостью
до 64 Мбит в керамическом исполнении
Превосходное
соотношение для
программных ошибок
Технологии Flash, SRAM, BBSRAM и nvSRAM запоминающих устройств все более восприимчивы к программным ошибкам.
Технология MRAM не чувствительна к нейтронам и альфа-частицам. Это позволяет сократить количество программных
ошибок более чем на два порядка по сравнению с любой другой конкурирующей энергонезависимой памятью
Экологичность
Микросхемы MRAM полностью RoHS-совместимы, в них не используется свинец. Для MRAM не требуются батареи
в качестве резервного источника питания, поэтому отсутствуют проблемы надежности и утилизации отработавших батарей
Может заменять
множество
типов памяти
Сочетая в себе преимущества основных видов SRAM и энергонезависимой памяти,
MRAM может выполнять функцию внутрисхемно-программируемой памяти (Flash),
быстрого буфера данных (SRAM) и энергонезависимого хранилища данных (EEPROM, nvRAM или BBSRAM),
что упрощает разработку и позволяет обходиться меньшим количеством типов памяти
Использование магнитных состояний для
хранения информации имеет два главных
преимущества. Во‑первых, магнитная поляризация не имеет утечек со временем, как
это происходит с зарядом, таким образом,
информация на запоминающей ячейке остается даже после отключения напряжения
питания. Во‑вторых, переключение магнитной поляризации между двумя состояниями
не влияет на движение электронов или атомов, и, таким образом, нет механизма износа
запоминающих ячеек.
Чтобы получить высокую плотность памяти, ячейки MRAM, показанные на рис. 1,
упорядочены в матрицу, в которой каждая
шина записи перекрывает сотни или тысячи
ячеек памяти, как показано на рис. 2. Во время выполнения операции записи импульс
тока проходит через цифровую и битовую
шины, изменяя значения только тех ячеек
Рис. 1. Ячейка памяти MRAM
сов тока состояние ячеек памяти MRAM
можно запрограммировать с помощью режима «триггера Савченко», названного так
в честь его автора. Триггер использует одну
и ту же последовательность импульсов, чтобы перейти из состояния «лог. 0» в состояние
«лог. 1» или из состояния «лог. 1» в состояние
«лог. 0». Каждый раз при подаче этой последовательности импульсов ячейка меняет свое
магнитное состояние на противоположное.
Этот тип переключения состояния отличается от рассмотренного на предыдущей схеме, где магнитный момент свободного слоя
определялся приложенным магнитным полем. Поскольку режим переключения существенно отличается, то селективность становится значительно выше.
Квантовый переход Савченко основан
на уникальном поведении свободного слоя
из синтетического антиферромагнетика
(synthetic antiferromagnet, SAF), который
формируется из двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитным связывающим слоем. Это схематически изображено
на рис. 3. Магнитные моменты свободного
SAF переключаются между двумя возможными состояниями при определенной после-
памяти, которые находятся на пересечении
этих шин. Во время выполнения операции
чтения изолирующий транзистор целевого
элемента хранения данных открывается, создавая ток смещения MTJ, и полученный ток
сравнивается с опорным током, чтобы определить состояние с высоким сопротивлением
или с низким.
Режим переключения
ячеек MRAM
Подход компании Everspin, состоящий
в переключении состояния ячеек памяти,
устраняет появление помех, создаваемых
шиной записи, которое существует при других способах изменения состояния ячеек
MRAM. Посредством использования запатентованной структуры слоя, расположения
ячеек памяти и последовательности импуль-
Рис. 3. Материал MTJ, используемый для Toggle MRAM
Рис. 2. Массив ячеек MRAM с шинами записи
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2012
память
Рис. 4. Схема переключения ячейки MRAM
с помощью последовательности полей
довательности изменения магнитного поля.
Электроны проходят через туннельный барьер из оксида алюминия (alumina, AlOx),
что вызывает магниторезистивные явления,
зависящие от направления магнитного момента чувствительного слоя.
Свободный SAF-слой со сбалансированным моментом отвечает на приложенное магнитное поле не так, как одиночный
ферромагнитный слой обычной MRAM.
Вместо того чтобы следовать за приложенным магнитным полем, два слоя с антипараллельной намагниченностью будут
поворачиваться приблизительно перпендикулярно к приложенному магнитному
полю. Последовательность импульсов тока
используется для генерации вращающегося
магнитного поля, которое передвигает элементарные магнитные моменты свободного слоя в положения, отличающиеся одно
от другого на 180°.
На рис. 4 показана схема переключения
ячейки MRAM с помощью последовательности полей, используемой для перевода элемента свободного слоя из одного состояния
в другое. Поля H1, H1+H2 и H2 создаются
проходящими через шины записи токами i1 и i2. Чтобы использовать уникальный
ответ свободного слоя на внешнее поле, используется двухфазная последовательность
импульсов программирования, показанная
на рис. 5, таким образом магнитные момен-
Рис. 5. Последовательность импульсов тока,
создающая магнитные поля,
для переключения ячейки памяти
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2012
ты SAF-слоя поворачиваются на 180°. Из-за
имеющейся в системе симметрии эта же последовательность импульсов переводит ее
в противоположное состояние, независимо
от текущего состояния. Поэтому для определения, требуется ли выполнение процедуры записи (а фактически — перевод ячейки
в противоположное состояние), необходима
операция предварительного чтения. Из-за
особенностей получения ответа слоя SAF
на приложенные поля, когда одна шина
не может переключить состояние ячейки,
обеспечивается значительно лучшая селективность, чем в предыдущих методах переключения ячеек MRAM.
На рис. 6 показана зона рабочих значений
токов для памяти объемом 4 Мбит. В области ниже порога переключения состояние ячеек не меняется и поэтому не зависит от тока, протекающего только по одной
шине записи (полувыборка). Бóльшая область рабочих значений тока, расположенная выше порога, соответствует характеристике одной ячейки памяти. В промежуточной зоне показаны линии значений тока,
при которых может происходить взаимное
влияние ячеек друг на друга. Следует отметить, что взаимное влияние ячеек отсутствует вплоть до больших значений, что отражает высокую стойкость к помехам по одной
активной шине записи.
Рис. 6. Область переключения
для микросхемы объемом 4 Мбит
Внешние магнитные поля
и MRAM
Все изделия MRAM компании Everspin
спроектированы так, что они не изменяют
хранимые данные под действием внешних
магнитных полей с напряженностью вплоть
до 2000 А/м при выполнении операции записи и до 8000 А/м при выполнении операции
чтения или в неактивном режиме. Стойкость
MRAM от Everspin к магнитному полю соответствует международному стандарту
Евросоюза IEC-61000-4-8, который регламентирует минимальное значение 1000 А/м
для неразрушающего магнитного поля.
компоненты
53
Сравнение
с другими технологиями памяти
Память MRAM обладает лучшими свойствами энергозависимой и энергонезависимой памяти. MRAM от Everspin имеет
время выборки для чтения/записи, равное
35 нс, с неограниченным количеством циклов перезаписи, напоминая стандартную
SRAM или 40‑МГц память с байтовой адресацией, неограниченным количеством циклов перезаписи и SPI-интерфейсом. MRAM
действует быстрее, чем многие микросхемы SRAM в режиме резервного питания
от внешней батареи.
Произвольный доступ к ячейкам MRAM
более быстрый, чем к DRAM, и не требует регенерации для сохранения данных. MRAM
является энергонезависимой памятью, такой
как Flash или EEPROM, поскольку сохраняет данные даже при полном отключении
источника питания. В отличие от Flash или
EEPROM для MRAM можно выполнять запись данных в произвольную ячейку памяти с той же скоростью, что и чтение (35 нс).
Кроме того, она имеет неограниченное количество циклов перезаписи, и в настоящее
время неизвестен механизм старения ячеек
памяти. Магнитные ячейки памяти MRAM
могут сохранять данные более 20 лет при
максимальной рабочей температуре и без подачи напряжения питания, показывая превосходные для энергонезависимой памяти
характеристики.
Flash-память является программируемой
поблочно энергонезависимой памятью,
для которой требуется значительное время
на стирание информации (секунды). Она
также имеет малую скорость записи страницы (>100 мкс). EEPROM является энергонезависимой памятью с произвольным доступом, но она имеет большое время произвольной записи (миллисекунды). Интерфейс
SPI компании Everspin не имеет задержки
при записи или ограничения на работу только с полной страницей, как в традиционных
микросхемах EEPROM. Как для Flash, так
и для EEPROM-памяти необходимо высокое
внутреннее напряжение при записи и большое время программирования. Операция
программирования приводит к разрушению плавающих затворов, поэтому количество циклов записи ограничено диапазоном от 10 000 до 1 000 000. Операции записи
уменьшают время хранения информации,
со временем снижая надежность хранения.
Микросхемы SRAM с резервным батарейным питанием — это вид энергонезависимой памяти с произвольным чтением/записью, которые имеют одинаковое время чтения/записи, сравнимое с MRAM. Однако для
них необходима связка из батареи и энергонезависимого контроллера, которая увеличивает занимаемое на печатной плате место
и сложность системы. Батарея менее надежна, чем магнитное ЗУ типа MRAM, и создает
www.kite.ru
54
компоненты
трудности при сборке, демонтаже и при обслуживании, что не всегда приемлемо.
Интеграция магнитных устройств
со CMOS-структурами
Схематическое изображение интегрированной ячейки MRAM от Everspin для архитектуры 1T-1MTJ показано на рис. 7. Модуль
MRAM интегрирован между последними
двумя слоями металлизации в стандартном
технологическом процессе полупроводников. MRAM называется оконечным модулем,
поскольку он устанавливается после всех связанных CMOS-схем. Эта схема интеграции
не требует никаких изменений в последовательности CMOS-процесса. Такая последовательность слоев в структуре ячейки памяти
отделяет процесс с участием магнитных материалов от стандартного CMOS-процесса.
Подобная схема интеграции удобна для
встраиваемых решений, таких как процессор
или микроконтроллер.
Например, для процессора может понадобиться некоторый объем быстрой встроенной памяти и некоторое количество встроенной энергонезависимой памяти: MRAM может обеспечить оба требования. Поскольку
модуль MRAM независим от CMOS-схемы
сопряжения, функции MRAM можно добавить без изменения логического CMOSпроцесса. Эти свойства обеспечивают низкую
стоимость и высокую производительность
во многих системах с архитектурой «система
на кристалле» (SoC).
Состав и характеристики семейства микросхем MRAM приведены в таблице 3.
память
Таблица 3. Основные характеристики семейства микросхем MRAM
Тип ИС
Объем
Организация
MR4A16B
MR2A16A
MR0A16A
16 Мбит
4 Мбит
1 Мбит
1M×16
256K×16
64K×16
MR4A08B
MR2A08A
MR0A08B
16 Мбит
4 Мбит
1 Мбит
2M×8
512K×8
128K×8
Напряжение
питания
Быстродействие
Температурный
диапазон*
Тип корпуса
C, I, A
C, I, E, A
C, I, E, A
54-TSOP, 48-BGA
44-TSOPII, 48-BGA
44-TSOPII, 48-BGA
C, I, A
C, I
C, I
44-TSOPII, 48-BGA
44-TSOPII, 48-BGA
44-TSOPII, 48-BGA, 32-SOIC
16-разрядная параллельная шина I/O
3,3 В
35 нс
8-разрядная параллельная шина I/O
MR0D08B
1 Мбит
128K×8
MR256A08B
256 кбит
32K×8
MR256D08
256 кбит
32K×8
3,3 В
3,3 В
3,3 В
3,3 ВDD
1,8 В I/O
3,3 В
3,3 ВDD
1,8 В I/O
35 нс
35 нс
35 нс
45 нс
C
48-BGA
35 нс
C, I
44-TSOPII, 48-BGA, 32-SOIC
45 нс
C
48-BGA
I, A
8-DFN, 8-DIP
8-DFN
8-DFN
Последовательный SPI-интерфейс
MR25H40
MR25H10
MR25H256
4 Мбит
1 Мбит
256 кбит
512K×8
128K×8
32K×8
2,7–3,6 В
40 МГц
Примечание. *Температурный диапазон: C (Commercial) — 0…+70 °C; I (Industrial) — –40…+85 °C;
E (Extended) — –40…+105 °C; A (Automotive) — –40…+125 °C.
Области применения MRAM
Благодаря своим уникальным особенностям, память MRAM находит широкое применение в областях, в которых до недавнего
времени использовалась только стандартная
память (табл. 4).
Заключение
Память MRAM Everspin является революционным запоминающим устройством, которое обеспечивает высочайшую плотность
хранения информации, наилучшее соотношение цена/производительность и наивысшую степень надежности по сравнению
со всеми альтернативными типами энергонезависимой памяти. Базовая технология
MRAM позиционируется как встраиваемая
память с высокой плотностью и низкой стоимостью и способна заменить Flash, SRAM
и EEPROM единой унифицированной памятью в будущих микроконтроллерах и SoC.
MRAM позволяет сократить количество типов применяемой в устройствах памяти. Все
это делает память MRAM весьма привлекательной как для использования в качестве
дискретного компонента, так и в качестве
Рис. 7. Схематическое изображение ячеек MRAM-памяти компании Everspin для архитектуры 1T-1MTJ
Таблица 4. Области применения MRAM
Область применения
Особенности и преимущества использования MRAM
RAID-хранилища данных
для серверов и массивов хранения информации
Промышленные системы
управления электродвигателями
Критические записи системных журналов и информация, записанная в кэше,
обновляются со скоростью SRAM и всегда остаются в сохранности
при любых сбоях в системе электропитания
Критические системные параметры и информационные пакеты остаются в сохранности,
даже без использования систем резервного копирования информации
Высокая надежность работы систем даже при экстремальных значениях температур
и в агрессивной внешней среде
Непрерывно обновляемые пользовательские данные не теряются при сбоях в подаче
электроэнергии, даже при экстремальных температурах и в сильных магнитных полях
В системах управления электродвигателями постоянно изменяются значения координат
по множеству осей. MRAM обеспечивает быстрый перезапуск системы
вслед за любым сбоем с системе электропитания
Промышленные системы электропитания
и управления мощностью
Надежность работы обеспечивается при высоких значениях управляемой мощности
Медицинская электроника
Удобство использования и высокая надежность памяти,
что позволяет использовать ее в медицинских приборах и системах
Коммуникационные системы
Транспортные, оборонные и авиационные системы
Автоматические измерительные приборы
различных типов встроенной памяти для
микропроцессоров и микроконтроллеров.
Использование MRAM в качестве основной
системной памяти позволяет гибко распределять общую память под ОЗУ и ПЗУ в зависимости от требований приложения.
n
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2012