Важнейшее преимущество этого типа памяти - энергонезависимость , то есть способность сохранять записанную информацию (например, программные контексты задач в системе и состояние всей системы) при отсутствии внешнего питания.
Технология магниторезистивной памяти разрабатывается с 1990-х годов. В сравнении с растущим объемом производства других типов компьютерной памяти, особенно флэш-памятью и памятью типа DRAM , она пока широко не представлена на рынке. Однако её сторонники верят, что благодаря ряду преимуществ она в конечном счёте заменит все типы компьютерной памяти и станет по-настоящему «универсальной» компьютерной памятью.
Описание
В отличие от других типов запоминающих устройств, информация в магниторезистивной памяти хранится не в виде электрических зарядов или токов, а в магнитных элементах памяти. Магнитные элементы сформированы из двух ферромагнитных слоёв, разделенных тонким слоем диэлектрика . Один из слоёв представляет собой постоянный магнит , намагниченный в определённом направлении, а намагниченность другого слоя изменяется под действием внешнего поля. Устройство памяти организовано по принципу сетки, состоящей из отдельных «ячеек», содержащих элемент памяти и транзистор.
Считывание информации осуществляется измерением электрического сопротивления ячейки. Отдельная ячейка (обычно) выбирается подачей питания на соответствующий ей транзистор , который подаёт ток от источника питания через ячейку памяти на общую землю микросхемы. Вследствие эффекта туннельного магнитосопротивления электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от взаимной ориентации намагниченностей в слоях. По величине протекающего тока можно определить сопротивление данной ячейки, и как следствие, полярность перезаписываемого слоя. Обычно одинаковая ориентация намагниченности в слоях элемента интерпретируется как «0», в то время как противоположное направление намагниченности слоёв, характеризующееся более высоким сопротивлением - как «1».
Информацию можно записывать в ячейки, используя множество способов. В простейшем случае каждая ячейка лежит между двумя линиями записи, размещёнными под прямым углом друг к другу, одна над, а другая под ячейкой. Когда ток проходит через них, в точке пересечения линий записи наводится магнитное поле , которое воздействует на перезаписываемый слой. Такой же способ записи использовался в памяти на магнитных сердечниках, которая использовалась в 1960-х годах. Этот способ требует достаточно большого тока, необходимого для создания поля, и это делает их не очень подходящими для применения в портативных устройствах, для которых важно малое потребление энергии, это один из основных недостатков MRAM. Кроме того, с уменьшением размера микросхем придёт время, когда индуцированное поле перекроет соседние ячейки на маленькой площади, что приведёт к возможным ошибкам записи. Из-за этого в памяти MRAM данного типа необходимо использовать ячейки достаточно большого размера. Одним из экспериментальных решений этой проблемы было использование круглых доменов, читаемых и записываемых с помощью эффекта гигантского магнитного сопротивления , но исследования в этом направлении более не проводятся.
Другой подход, переключения режимов, использует многошаговую запись с модифицированной многослойной ячейкой. Ячейка модифицирована, содержит в себе искусственный антиферромагнетик , где магнитная ориентация чередуется назад и вперёд через поверхность, с обоими (прикреплённым и свободным) слоями, составленными из многослойных стеков изолированных тонким «соединяющим слоем». Результирующие слои имеют только два стабильных состояния, которые могут быть переключены из одного в другое выбором времени тока записи в двух линиях, так, одна немного задерживается, таким образом «поворачивая» поле. Любое напряжение, меньшее, чем полный уровень записи, фактически увеличивает его сопротивление для переключения. Это значит, что ячейки, расположенные вдоль одной из линий записи, не будут подвержены эффекту непреднамеренного перемагничивания, позволяя использовать меньшие размеры ячеек.
Новая технология переноса спинового момента (spin-torque-transfer-STT) или переключения с помощью переноса спина использует электроны с заданным состоянием спина («поляризованные»). Проходя через свободный ферромагнитный слой, их вращающий момент передается намагниченности этого слоя и переориентирует ее. Это уменьшает величину тока, необходимую для записи информации в ячейку памяти, а потребление при чтении и записи становится примерно одинаковым. Технология STT должна решить проблемы, с которыми «классическая» технология MRAM столкнётся при увеличении плотности размещения ячеек памяти и соответствующего увеличения тока, необходимого для записи. Поэтому технология STT будет актуальна при использовании технологического процесса 65 нм и менее. Отрицательная сторона состоит в том, что в настоящее время STT необходим бо{{подст:удар}}льший ток на управляющем транзисторе для переключения, чем обычной MRAM, а значит требуется большой транзистор и необходимость поддерживать когерентность вращения. В целом, несмотря на это, STT требует намного меньшего тока записи, чем обычная или переключательная MRAM.
Другими возможными путями развития технологии магниторезистивной памяти являются технология термического переключения (TAS-Thermal Assisted Switching), при которой во время процесса записи магнитный туннельный переход быстро нагревается (подобно PRAM) и в остальное время остается стабильным при более низкой температуре, а также технология вертикального транспорта (VMRAM-vertical transport MRAM), в которой ток, проходящий через вертикальные столбцы, меняет магнитную ориентацию, и такое геометрическое расположение ячеек памяти уменьшает проблему случайного перемагничивания и соответственно может увеличить возможную плотность размещения ячеек.
Сравнение с другими типами памяти
Плотность размещения элементов в микросхеме
Главным фактором, от которого зависит себестоимость производства микросхем памяти, является плотность размещения в ней отдельных ячеек. Чем меньше размер одной ячейки, тем большее их количество может быть размещено на одной микросхеме, и соответственно большее число микросхем может быть произведено за один раз из одной кремниевой пластины. Это улучшает выход годных изделий, и снижает стоимость производства микросхем.
| - {{{description}}}.
| - «{{{quote}}}»{{#if: 2016-07-21 | }}
}}{{#if: 2016-07-21
| Проверено {{#iferror: {{#time: j xg Y | 2016-07-21 }} | 2016-07-21{{#if: | {{{accessyear}}} }} }}.
| Проверено {{#iferror: {{#time: j xg Y | {{{accessmonthday}}} }} | {{{accessmonthday}}}{{#if: | {{{accessyear}}} }} }}.
| Проверено {{#iferror: {{#time: j xg Y | {{{accessdaymonth}}} }} | {{{accessdaymonth}}}{{#if: | {{{accessyear}}} }} }}.
| [{{{archiveurl}}} Архивировано из первоисточника {{#iferror: {{#time: j xg Y | {{{archivedate}}} }} | {{{archivedate}}} }}].
Применение
Предполагается использовать память MRAM в таких устройствах, как:
- Аэрокосмические и военные системы
- Сотовые базовые станции
- Специальные устройства для регистрации данных (чёрные ящики)
См. также
Примечания
Неизвестный тег расширения «references»
Ссылки
- Новый чип уменьшит зависимость от электропитания / BBC Russian, июль 2006
Для улучшения этой статьи{{#if:Шаблон:Rq/topics/getcategory | Шаблон:Rq/topics/getcategory }} желательно :
{{#if:{{#if: checktranslate|
|
Нобелевская премия по физике этого года была присуждена двум ученым: Альберту Ферту и Питеру Грюнбергу с формулировкой «за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления ».
Рис.1 Альберт Ферт (р.1938) и Питер Грюнберг (р.1939) -
нобелевские лауреаты по физике 2007 года
Со времен открытия прошло почти 20 лет, и за это время приборы, основанные на гигантском магнитном сопротивлении (ГМС, или, как принято его называть в англоязычной литературе GMR) вошли в плоть и кровь современной цифровой цивилизации (головки считывания на ГМС используются в жестком диске каждого компьютера), а концепция спинового транспорта, спиновой инжекции, спиновых поляризаторов и анализаторов легли в основу понятийного аппарата нового направления науки и техники - спиновой электроники .
- Эффект гигантского магнитосопротивления
Эффект гигантского магнитосопротивления, первоначально наблюдался в многослойных структурах, которые состоят из чередующихся магнитных и немагнитных проводящих слоев (см. рис. 2), например, (Co/Cu) n или (Fe/Cr) n . Такие структуры называют магнитными сверхрешетками. Толщины слоев, как правило, составляют доли-единицы нанометров. Эффект состоит в том, что сопротивление структуры, измеренное при токе, текущем в плоскости системы, зависит от взаимного направления намагниченности соседних магнитных слоев. Так, при параллельной намагниченности слоев сопротивление, как правило, низкое, а при антипараллельном - высокое. Относительное изменение сопротивления системы составляет от 5 до 50% в зависимости от материалов, количества слоев и температуры. Эта величина на порядок больше, чем у предшественника эффекта гигантского магнитосопротивления - эффекта анизотропного магнитосопротивления , чем и объясняется название первого.
| a) | б) |
Рис. 2. Магнитные сверхрешетки, на которых наблюдается эффект ГМС.
Схематично изображен транспорт электронов противоположных поляризаций в случае
а) параллельной и б) антипараллельной ориентаций намагниченностей магнитных слоев.
В нижних частях рисунков изображены эквивалентные электрические схемы,
соответствующие этим двум конфигурациям.
В основе эффекта ГМС лежат два важных явления. Первое состоит в том, что в ферромагнетике электроны с одним направлением спина (или одной спиновой поляризации , как принято говорить) рассеиваются гораздо сильнее, чем электроны противоположной поляризации (выделенное направление задает намагниченность образца). Второе явление состоит в том, что электроны, выходя из одного ферромагнитного слоя, попадают в другой, сохраняя свою поляризацию. Таким образом, в случае параллельной конфигурации слоев те из носителей, которые рассеваются меньше, проходят все структуру без рассеяния; а носители противоположной поляризации испытывают сильное рассеяние в каждом из магнитных слоев (см. рис. 2а). В случае же антипараллельной конфигурации системы (см. рис. 2б), носители обоих поляризаций испытывают сильное рассеяние в одних слоях и слабое в других. Сопротивление системы можно условно изобразить в виде двух соединенных параллельно наборов сопротивлений, соответствующих двум спиновым поляризациям; при этом каждое из сопротивлений в этих наборах соответствует большому или малому рассеянию носителей данной поляризации в конкретном магнитном слое. Такие схемы для параллельной и антипараллельной конфигураций слоев изображены внизу рисунков 2 а, б.
Для функционирования устройств на основе эффекта ГМС важной является возможность создания антипараллельной конфигурации слоев (см. рис. 2б). Такие конфигурации удается получать при нулевом поле благодаря наличию так называемого межслойного обменного взаимодействия. Оказывается, энергия E int . l . взаимодействия двух магнитных слоев с намагниченностями M 1 м M 2 , разделенных немагнитной прослойкой толщиной d s , имеет (в первом приближении) гейзенберговский вид:
. (1)
При этом коэффициент J 1 зависит от толщины немагнитной прослойки d s осциллирующим образом, так, что при одних значениях d s J 1 является положительной, а при других - отрицательной величиной. Соответственно, можно подобрать толщину немагнитных слоев так, чтобы энергетически выгодной была антипараллельная конфигурация слоев. Интересно, что именно исследованием межслойного взаимодействия в многослойных магнитных структурах занимались первоначально открыватели эффекта, прежде чем обнаружили новое необычное их свойство - гигантское магнитосопротивление.
Рис. 3. Схематичное изображение спинового вентиля. Нижний слой - слой антиферромагнетика.
В качестве элементов на основе эффекта ГМС как правило используется структура, получившая название спиновый вентиль (spin valve), см. рис. 3. В ней один магнитных из слоев (например, Co или Co 90 Fe 10) напылен на слой антиферромагнетика (напр., Mn 76 Ir 24 или Mn 50 Pt 50 ). Благодаря обменному взаимодействию между электронами ферромагнетика и антиферромагнетика спины в этих двух слоях становятся жестко связанными между собой. Поскольку внешнее магнитное поле не очень большой величины не оказывает влияния на антиферромагнетик, то намагниченность магнитного слоя оказывается закрепленной (это явление получило название однонаправленной или обменной анизотропии .
Такой слой, намагниченность которого в некотором интервале полей может считаться неизменной, называют закрепленным или фиксированным. Второй же магнитный слой (часто Co, или Co 90 Fe 10 , или двухслойный Ni 80 Fe 20 /Co или Ni 80 Fe 20 /Co 90 Fe 10 ,) может быть свободно перемагничен внешним полем, поэтому его называют свободным. Промежуточный слой немагнитного металла, как правило, представлен Cu. Такая структура получила название спинового переключателя или спинового вентиля (spin-valve). Сопротивление спинового вентиля R может быть с хорошей точностью описано с помощью формулы:
Здесь R 0 - сопротивление структуры при параллельной намагниченности слоев, дельта R gmr - инкремент сопротивления, обусловленный эффектом ГМС, и Q - угол между намагниченностями магнитных слоев (принимает значения между p и -p ). Типичные значения R составляют десятки Ом, а для используемых в индустрии спиновых вентилей составляет 6-10% .
Эффект ГМС был обнаружен при измерении сопротивления магнитных сверхрешеток по току, текущему в плоскости системы. В 1991 году изменение сопротивления магнитных металлических сверхрешеток при изменении взаимной ориентации магнитных слоев было обнаружено для тока, текущего перпендикулярно плоскости слоев. Эти две геометрии измерения сопротивления многослойных магнитных структур обозначаются ставшими уже стандартными аббревиатурами CIP (current-in-plane) и CPP (current-perpendicular-to-plane) соответственно. Механизмы эффектов ГМС в CPP и в CIP геометриях в основных чертах схожи ; при этом значения магнититосопротивления, полученные для первого эффекта, примерно в два раза больше, чем для второго. Однако абсолютное сопротивление металлических сверхрешеток, полная толщина которых составляет порядка десятков нанометров, при измерении в CPP геометрии очень мало и его довольно трудно измерить. Поэтому для практических применений эффект ГМС в CPP геометрии гораздо менее привлекателен.
Следующий прорыв в области эффектов магнитосопротивления обусловлен обнаружением эффекта туннельного магнитосопротивления (ТМС) . Он имеет место в СРР системах, в которых место проводящей немагнитной прослойки занимает тонкий (1-2 нм) слой изолятора. Сопротивление такой структуры, измеренное в CPP-геометрии, сильно зависит от относительного направления намагниченности слоев благодаря различным вероятностям прохождения носителей с противоположными ориентациями спина через туннельный барьер. Оказалось, что для весьма распространенного аморфного изолирующего слоя Al 2 O 3 относительное изменение сопротивление достигает 70% при комнатной температуре (КТ). Ещё более перспективным является барьер в виде монокристаллического слоя MgO, который позволяет достичь значений до 500% при комнатной температуре .
2. Приложения ГМС в индустрии памяти
В настоящее время эффекты магнитосопротивления уже получили широкое коммерческое применение. Наиболее часто эти эффекты используются для создания магниточувствительных элементов датчиков различного назначения. Так, уже более 10 лет магниточувствительные элементы на основе магниторезистивных наноструктур используются в считывающих головках в жестких дисках. Кроме того, широким фронтом идут разработки новых видов памяти, основанных на магниторезистивных элементах; совсем недавно начались продажи одного из них - так называемой магнитной оперативной памяти MRAM. По целому ряду показателей последняя превосходит существующие в настоящее время полупроводниковые аналоги.
В данной секции рассказывается об этих двух ключевых приложениях: о строении считывающих головок в HDD и о магнитной памяти MRAM.
2.1. Считывающие головки для жестких дисков
Наибольший рост последние годы продемонстрировали продажи самых миниатюрных жестких дисков (предназначенных для портативных карт памяти, mp3-плееров, видеокамер, сотовых телефонов и др.) они заняли до 23% всего рынка жестких дисков (HDD - hard disc drivers); ожидается, что к 2009 году эта доля увеличится до 40%, обогнав сегмент HDD для настольных компьютеров. В результате, общие тенденции рынка ведут к потребности появления устройств со все большей плотностью записи информации. Так, последние десять лет плотность записи в коммерческих устройствах растет со скоростью от 50-100% в год . Поддержание столь активной тенденции к миниатюризации требует использования самых высоких инновационных технологий в области создания магнитных сред (для хранения информации), записывающих и считывающих головок, системной электроники.
С самого начала в жестких дисках (первые HDD появились в середине 1950-х годов) использовались индуктивные считывающие головки. Их в начале 1990-х сменили магниточувствительные датчики, схематичное устройство которых изображено на рисунке 4. Считывающая головка состоит из тонкопленочного магниторезистивного элемента, экранированного с двух сторон с помощью пленок мягкого магнитного материала. (Роль экранов заключается в том, чтобы по возможности уменьшить до нуля поле от дальних битов). Эта конструкция пролетает на расстоянии порядка десятков-единиц нанометров над поверхностью магнитной пленки, на которой в виде направления намагниченности в доменах, упорядоченных по размеру и расположению, записана информация. Домены противоположной полярности соответствуют битам «0» или «1». Поле от границы между противоположно намагниченными битами, над которой пролетает головка, перемагничивает магниторезистивный элемент. В результате сопротивление элемента меняется, что фиксируется электроникой и передается на шину данных. Данная конструкция в целом используется и в настоящее время.
Рис. 4. Схематичное изображение считывающей головки жесткого диска и принципа ее работы.
Постоянное увеличение плотности записи (соответственно, уменьшение размера одного бита), приводит к уменьшению магнитного потока, приходящегося на магниточувствительный элемент. Чтобы сохранить отношение сигнал/шум, требуется использование все более и более чувствительных головок.
Магниточувствительные элементы на эффекте анизотропного магнитосопротивления имели выход (отношение сопротивления головки при переходе от «0» к «1») порядка 2%, обладали простой конструкцией и позволили создавать HDD с плотностью записи до 1-5 Гбит/дюйм 2 . Дальнейшее повышение плотности записи потребовало введения считывающих элементов на основе эффекта ГМС. Они обладают гораздо более сложной конструкцией (магниточувствительный элемент содержит до 10 различных слоев), и, в различных модификациях, позволяют получить выход от 6 до 12% и плотность записи до 50 Гбит/дюйм 2 . Переход на считывающие головки, основанные на эффекте ГМС, был осуществлен практически всеми основными производителями жестких дисков с 1997 года . Следующее поколение головок основано на эффекте ТМС. Как ожидается, они позволяют получить выход более 200% и плотность записи до 1 Тбит/дюйм 2 . В настоящее время происходит переход производителей жестких дисков на этот тип считывающих головок .
2.2. Магнитная оперативная память MRAM
В компьютерах, контроллерах, мобильных устройствах используется одновременно несколько типов полупроводниковой памяти. Одни из них, например SRAM (static random access memory), являются очень быстрыми, они используются в качестве кэш-памяти в процессорах; однако они имеют сложную конструкцию и поэтому очень дорогие. Другие виды памяти, например, оперативная память DRAM (dynamicrandom access memory), являются более простыми и дешевыми, но и более медленными. Также, SRAM и DRAM не сохраняют свое состояние при отключении энергии. Память типа EEPROM (наиболее известная ее модификация - Flash-память), сохраняет свое состояние при отключении энергии, однако она является очень медленной и не может выполнять функции оперативной памяти даже в относительно несложных устройствах типа mp3-плееров или сотовых телефонов. Кроме того, Flash-память очень энергоемкая и обладает ограничением на количество циклов перезаписи (порядка 10 5 -10 6), при превышении которого она может выйти из строя.
В этом контексте особое внимание стало уделяться созданию универсальной памяти, которая смогла бы совместить в себе достоинства всех перечисленных видов памяти. Согласно сказанному выше, она должна обладать:
а) достаточно простой конструкцией,
б) высокой скоростью записи/считывания,
в) сохранять свое состояние при отключении энергии,
г) позволять производить большое количество циклов записи,
д) потреблять малое количество энергии.
В настоящее время наиболее вероятным кандидатом на роль такой универсальной памяти считается так называемая магнитная оперативная память MRAM (magnetic random access memory) . Схема работы MRAM изображена на рисунке 5. Ячейка памяти состоит из многослойного магниторезистивного элемента, основанного на эффекте ТМС. Свободный слой этого элемента содержит в себе информацию в виде направления намагниченности. Считывание производится путем измерения сопротивления R m данного элемента: при параллельной конфигурации свободного и фиксированного слоев оно будет малым, а при антипараллельной - большим. Этим двум значениям приписываются логические «0» и «1». Запись производится с помощью подачи на токовые шины 1 и 2 (которые по аналогии с полупроводниковыми видами памяти называют соответственно битовой и словарной) импульсов тока. При этом вокруг каждой из них возникает вихревое магнитное поле. Конфигурация элементов подбирается так, что для перемагничивания каждой ячейки необходимо действие поля от обеих токовых шин, а при воздействии поля только от одной из шин элемент сохраняет свое магнитное состояние (см. рис. 5б). В качестве свободного слоя используются, например, Fe или двойной слой CoFe/NiFe, в качестве фиксированного - CoFe на подложке из антиферромагнетика IrMn, в качестве туннельного контакта - оксид алюминия Al 2 O 3 или, обладающий лучшими параметрами ТМС, оксид марганца MnO.
Такая память обладает простой конструкцией (один магниторезистивный элемент и один транзистор на каждую ячейку), она естественным образом сохраняет свое состояние при отключении энергии. Кроме того, она позволяет производить практически бесконечное количество циклов перезаписи (10 16 и более), и, как показывают эксперименты, время цикла записи/считывания составляет для разных образцов десятки-единицы наносекунд (подобно памяти типа SRAM) .
Рис. 5. а) Схематичное изображение ячейки памяти MRAM. При записи в ячейку вокруг токовых шин
создается магнитное поле, которое перемагничивает данный элемент.
б) адресация ячейки при записи. Магнитное поле создается вокруг всей токовой шины,
однако перемагничивается только тот элемент, который расположен на пересечении двух токовых шин.
На пути воплощения идеи о MRAM как универсальной памяти возникает немало проблем, связанных, в основном, с механизмом записи информации: необходимость создания больших магнитных полей записи, относительно большая потребляемая мощность данного устройства (порядка 100 пВт на цикл записи), повышенные требования к надежности процесса переключения ячейки и др., но можно с уверенностью говорить, что рано или поздно они будут решены .
В заключение, стоит отметить следующее. Не секрет, что сейчас модный ярлычок «нано-» приклеивается сейчас повсеместно, но само по себе наличие структуры с характерным размером 1-100 нм и менее еще не является нанотехнологией в подлинном смысле, поскольку отражает лишь количественную, а не качественную сторону явлений. Так 45-нм технология освоенная микроэлектроникой является лишь очередным шагом на пути масштабирования, физические же принципы, лежащие в основе их действия, остаются неизменными. В то же время, эффект ГМС - это возникновение принципиально нового свойства у системы, структурированной на наномасштабе: толщины проводящих слоев должны быть меньше длины свободного пробега электрона (CIP геометрия) или длины релаксации спина (CPP геометрия), которые составляют единицы нанометров. В этом контексте становится ясной формулировка Шведской Академии Наук, присудивших Нобелевскую премию «за открытие эффекта гигантского магнитосопротивлени я» технологии, которая «может рассматриваться как первое по-настоящему эффективное приложение многообещающей области нанотехнологий ».
Магниторезистивная оперативная память
Магниторезистивная память – это один из перспективных типов оперативной памяти, пока еще не получивший широкого распространения, но обладающий рядом преимуществ, по сравнению с остальными типами оперативной памяти. В ближайшем будущем этот тип памяти, несомненно, приобретет большую популярность.
Давайте разберемся, как она работает. И начнем с устройства ячейки магниторезистивной памяти. Упрощенная структурная схема ячейки магниторезистивной памяти представлена на рисунке 1.
Каждая ячейка магниторезистивной памяти хранит 1 бит данных в магнитном элементе (MTJ 1), состоящем из двух ферромагнетиков, между которыми располагается тонкий слой диэлектрика.
Ферромагнетик – это вещество, которое обладает намагниченностью (при температуре ниже точки Кюри), даже в отсутствии внешнего магнитного поля.
Диэлектрик - это вещество, плохо проводящее электрический ток.
Причем один из ферромагнетиков (ферромагнетик F 2) – это постоянный магнит, намагниченный в определенном направлении, а другой ферромагнетик (ферромагнетик F 1) может изменять направление намагниченности под действием электрического поля. Если оба ферромагнетика имеют одинаковую направленность намагниченности, то считается, что в ячейке памяти храниться ноль. Если направления намагниченности ферромагнетиков перпендикулярны, то считается, что в ячейке памяти хранится единица.
Для изменения направления намагниченности ферромагнетика F 1 , необходимо подать ток в линии WC 1 и WL 1 . В точке пересечения этих линий, как раз там, где располагается магнитный элемент, создастся электрическое поле достаточной мощности, чтобы ферромагнетик F 1 изменил направление намагниченности. Остальные ячейки магниторезистивной памяти, располагающиеся вдоль строки и столбца, на которые подан ток, не изменят направления намагниченности, так как мощность поля, создаваемого только током в линии WC 1 , или только током в линии WL 1 , недостаточна.
Такой способ изменения намагниченности (записи данных в ячейку памяти) очень похож на принцип работы памяти на магнитных сердечниках, широко используемой во втором поколении ЭВМ.
Схематически описанная ячейка магниторезистивной памяти изображена на рисунке 2.
Однако запись данных в ячейки магниторезистивной памяти описанным выше способом требует создания мощного электрического поля, поэтому магнитные элементы соседних ячеек приходится располагать далеко друг от друга, а, следовательно, размер магниторезистивной памяти будет достаточно большим. Да и энергопотребление будет велико, особенно для применения такой памяти в мобильных вычислительных системах, даже с учетом того, что на хранение данных в ячейках магниторезистивной памяти энергия не расходуется.
По этой причине ведутся активные поиски альтернативных способов записи данных в магниторезистивную память, например, термическая запись, при которой ячейка памяти непосредственно перед записью нагревается, упрощая изменение направления намагниченности, или поэтапная запись с использованием антиферромагнетиков и многослойной ячейки памяти. Существуют и другие способы записи в магниторезистивную память, однако все они пока находятся на этапе создания опытных образцов и пока не готовы к использованию в массовом производстве.
Но в будущем этот тип памяти может вытеснить все остальные типы ОЗУ, так как потенциально обладает значительно лучшими характеристиками, как по скорости работы, так и по качеству и объемам хранимой информации. Хотя и сейчас эта память применяется, но, в основном, в больших научных и технических проектах. Так в 2008 году в японском искусственном спутнике SpriteSat была применена магниторезистивная память производства Freescale Semiconductor. А с апреля 2011 года доступны первые коммерческие микросхемы MRAM, ёмкостью 16 Мбит, и это только начало.
С чтением данных из магниторезистивной памяти все проще. Здесь уже существует вполне приемлемый способ, основанный на изменении электрического сопротивления при протекании тока между двумя слоями ферромагнетика, разделенного тонким слоем диэлектрика. Общее сопротивление будет выше при перпендикулярной ориентации намагниченности слоев диэлектрика. По величине протекающего через ячейку тока можно определить ориентацию намагниченности и, соответственно, определить содержание ячейки памяти.
Если вернуться к рисунку 2, то чтение данных из ячейки памяти будет организовано следующим образом:
- на линию RL 1 подается ток, открывающий транзистор VT 1 и разрешающий чтение данных из ячейки памяти;
- на линию WC 1 подается ток, проходящий через магнитный элемент MTJ 1 , а далее, через открытый транзистор VT 1 , – в устройство чтения данных, где по величине тока будет определено значение, хранящееся в ячейке памяти.
Давайте рассмотрим основные преимущества и недостатки магниторезистивной памяти.
Достоинства:
- энергонезависимость;
- высокое быстродействие (быстрее DRAM, но медленнее SRAM);
- не требуется регенерация ячеек.
Недостатки:
- сложности с существующими способами записи;
- большой размер ячейки памяти, из-за технологии записи;
- высокое энергопотребление по той же причине.
На этом закончим обзор оперативной памяти. Естественно, существуют и другие типы памяти и способы оперативного хранения информации, но они пока что мало распространены или вовсе существуют только в теории. Поэтому в этой статье мы их рассматривать не будем, но обязательно затронем эту тему в статьях, посвященных перспективам развития вычислительной техники.
В настоящее время в качестве запоминающих устройств используются, в основном, три вида памяти – SRAM, DRAM и флеш-память, чаще всего – NAND. Уже довольно долгое время ведутся разработки альтернативных технологий создания микросхем памяти, способных заменить часть существующих запоминающих устройств или, возможно, предложить универсальное решение, которое подойдет для любого применения. Одной из таких технологий является MRAM и ее более новая разновидность ST-MRAM или STT-MRAM (spin-transfer torque magnetoresistive RAM – память с использованием технологии переноса спинового момента). MRAM — что это за зверь? Давайте разбираться.
Перспективные технологии
Следует сказать, что сейчас в разработке находятся несколько разных вариантов того, что, возможно, найдет применение в качестве запоминающего устройства в обозримом будущем. Один из вариантов я недавно описывал – это совместная разработка , использующая, по одной версии, эффект фазового перехода вещества, а по другой – некую иную технологию, о подробностях которой предпочитают не распространяться.
Среди других:
- Память на нанотрубках.
- Сегнетоэлектрическая оперативная память (Ferroelectric RAM, FeRAM или FRAM).
- (RRAM, ReRAM, Resistive random-access memory) и ряд других.
Думаю, постепенно мы познакомимся со всеми этими технологиями.
На разработку и внедрение этих технологий понадобилось больше времени, чем предполагалось. Поэтому большая часть этих вариантов до сих пор находится на научно-исследовательской и опытно-конструкторской стадии или существуют только в виде тестовых образцов.
Несмотря на различия всех этих технологий, они все схожи в том, что вся эта память энергонезависима, в отличие от применяемой сейчас DRAM. Также она позволяет осуществлять побитовую адресацию (чего не может используемая сейчас NAND-память), да и быстродействие, а также долговечность гораздо выше, нежели у распространенной сейчас флеш-памяти.
Как говорил выше, теперешний рынок памяти разделен между тремя типами:
- SRAM – используется в процессорах для кэширования, в качестве регистровой памяти, для обеспечения быстрого доступа к данным. Память этого типа очень быстродействующая, не требует регенерации ячеек, но имеет свои недостатки, как то: невысокую плотность размещения ячеек на кристалле, высокую стоимость.
- DRAM – используется в качестве оперативной памяти, а также в качестве буфера в SSD-накопителях.
- NAND – единственный тип, сохраняющий записанные данные при отключении питания. Используется в твердотельных накопителях, в качестве запоминающего устройства в мобильной технике и т. п.
В тренде сейчас , используемая в SSD. Ее
активное освоение и внедрение привело к тому, что производство кремниевых пластин в 2017-м году возросло на 10%. При этом перечисленные технологии (FeRAM, STT-MRAM, память на нанотрубках) находятся на разных стадиях разработки и готовности к промышленному использованию. Причем вполне возможно, что ни один из этих типов не сможет стать монополистом, а многие из них найдут свою нишу в тех или иных устройствах.
До промышленного выпуска пока что добрались только 3D XPoint, а также MRAM, выпускаемая компанией Everspin, которая предлагает чипы емкостью 256 Мбит. Впрочем, ведущая четверка чипмейкеров (GlobalFoundries, Samsung, TSMC и UMC) готова начать производство такой памяти в ближайшем будущем. Свои исследования ведут также Intel, Micron и Toshiba-SK Hynix.
Такой чипмейкер, как GlobalFoundries, планирует выпускать свои чипы STT-MRAM по 22-нанометровому техпроцессу с использованием технологии FD-SOI. В перспективе ожидается переход на 12-нанометровый техпроцесс. Планируется и использование техпроцессов 14 нм и 7 нм на основе технологии finFET.
Принцип работы памяти MRAM и STT-MRAM
Отличие MRAM от других типов памяти состоит в том, что в ячейке хранится не электрический заряд, уровень которого и определяет значение бита данных, а изменяется электрическое сопротивление самой ячейки. Особенность данной технологии заключается в способе изменения этого сопротивления. В отличие от, например, памяти с использованием изменения фазового состояния вещества, для этого используются магнитные элементы памяти, использующие эффект магнитного туннельного перехода (MTJ – magnetic tunnel junction).
Если говорить упрощенно, ячейка MTJ состоит из пары ферромагнитных слоев, между которыми расположен тонкий диэлектрический слой, называемый также туннельным слоем, а также управляющего транзистора. Один из ферромагнитных слоев – это постоянный магнит с намагниченностью в определенном направлении, второй слой может изменять направление намагниченности (поляризации) в зависимости от воздействующего на него магнитного поля.
В результате направление ориентации намагниченности в слоях может либо совпадать, либо быть противоположным друг другу. При совпадении ориентации намагниченности, вследствие эффекта туннельного магнитосопротивления, электрическое сопротивление уменьшается, и это принимается за логический «0», а при противоположном направлении намагниченности в слоях сопротивление возрастает, и это интерпретируется как «1».
Теперь остается только приложить напряжение к транзистору и зафиксировать уровень тока через ячейку, он позволит определить, какое значение в ней записано.
Запись значения в ячейку памяти осуществляется при помощи формируемого магнитного поля. Тут кроется один из недостатков технологии MRAM – для магнитного поля требуется довольно много энергии, что нежелательно, особенно в случае применения таких микросхем в мобильных устройствах, где к энергоэффективности предъявляются особые требования.
Другой недостаток – индуцируемое магнитное поле при уменьшении размера ячеек начинает воздействовать на соседние ячейки, повышая риск искажения информации в них.
От многих недостатков позволяет избавиться технология STT-MRAM – модификация описанной выше MRAM, при которой изменение поляризации намагниченного слоя выполняется не за счет формирования магнитного поля, а при помощи переноса момента импульса электрона (spin) с заданным направлением поляризации. Вращающий момент этих электронов, попадающих в изменяемый ферромагнитный слой, передается намагниченности и ориентирует ее в заданном направлении. Отсюда и название этого варианта технологии — STT-MRAM (spin-torque-transfer MRAM).
Сейчас особый интерес вызывает вариант технологии, называемой перпендикулярной STT-MRAM. Суть состоит в том, что в первых образцах памяти спиновый момент электронов находился в плоскости, параллельной расположению слоев. В новом варианте этот момент направлен перпендикулярно расположению слоев. Это позволило сразу же получить несколько преимуществ: уменьшить токи, необходимые для переключения, уменьшить размер ячеек, уменьшить транзистор, увеличить плотность расположения элементов на кристалле, улучшить энергопотребление.
У STT-MRAM есть и другие достоинства:
- Сочетание характеристик, сходных с DRAM и SRAM, с энергонезависимостью.
- Фактически неограниченный срок службы ячеек.
- Высокая скорость работы при низком потреблении энергии.
Производство STT-MRAM
К сожалению, изготовить память STT-MRAM не так просто, как хотелось бы. Требуется новое оборудование, новые материалы. Осложняется все это тем, что процесс изготовления слоев отличается от того, что применяется при изготовлении привычных типов памяти.
Процесс выпуска микросхем STT-MRAM разделяется на две фазы. Вначале, используя обычные кремниевые пластины, изготавливаются нижние слои ячеек, формируются транзисторы, линии выбора слов и т. п. Эту часть производства называют FEOL (front-end-of-the-line).
Для завершения формирования микросхем частично обработанная пластина перемещается на вторую фазу, называемую BEOL (backend-of-the-line). Здесь наносятся слои с содержанием металлов, осуществляется соединение элементов медными проводниками, формируются линии выборки бит и завершается изготовление.
Так, традиционная DRAM целиком изготавливается на FEOL, причем процесс изготовления подразумевает некоторые операции, проводимые при высоких температурах. И тут возникает проблема. Магнитные слои (пленки) STT-MRAM очень тонкие и должны наноситься при гораздо более низких температурах. Мало того, изготовление требует очень высокой точности.
Процесс производства микросхем памяти STT-MRAM требует применения трех масок для трех этапов изготовления. Первый этап самый простой — формируется тонкий нижний электрод, т. е. линии выбора слов, управляющий транзистор.
Второй этап гораздо сложнее. Необходимо сформировать ячейку памяти MTJ, представляющую собой стек из тонких слоев, коих может быть 20-30 штук. Причем размещать их надо точно друг над другом с высочайшей точностью. Осложняется это тем, что эти слои могут быть в несколько ангстрем толщиной. Они нужны, чтобы обеспечить необходимый уровень намагниченности. И еще одна сложность этого этапа – недопущение доступа воздуха в процессе нанесения слоев. То есть требуется проведение всего процесса на одном и том же оборудовании.
Последний, третий этап – формирование верхнего электрода, линии выбора битов, выполнение соединений между ячейками.
Сама STT-MRAM состоит из ячеек MTJ. В каждой ячейке есть тонкий, примерно 10 ангстрем, диэлектрический туннельный слой, выполненный из оксида магния (MgO), окруженного двумя ферромагнитными слоями, основанными на составе кобальт-железо-бор (CoFeB). Толщина этих слоев составляет от 10 до 30 ангстрем. Через эти слои, включая туннельный слой, и протекает ток.
Интересной особенностью технологии памяти MRAM является возможность получения чипов с возможностями, близкими к флеш-памяти или соответствующими SRAM, т. е. возможность варьировать характеристики. Все зависит от того, как формируются слои.
Следующая операция, которая выполняется после окончания формирования всех слоев ячейки памяти — травление. При производстве STT-MRAM не применяется привычное реактивно-ионное травление (RIE), т. к. эта операция может повредить слои. Вместо этого применяется ионно-лучевое травление (IBE), т. е. бомбардирование материала пучком заряженных ионов. Эта технология травления все еще совершенствуется, т. к. на сегодняшний день у нее есть ограничения на размер удаляемых участков.
Применение STT-MRAM
Есть два основных пути применения этого типа памяти. Во-первых – это замена встраиваемой флеш-памяти, которая используется во многих устройствах. Во-вторых – замена встраиваемой SRAM. Второй вариант более сложный. Вообще, уже сложилось некое разделение сфер применения памяти. Так, STT-MRAM и ReRAM – хороший выбор для встраиваемых решений, а память, выполненная по технологии фазового перехода, ориентируется на использование в автономных устройствах – накопителях и т. п.
Планы по замене DRAM на STT-MRAM пока что остаются планами, т. к. эти разработки еще не вышли из этапа исследовательско-конструкторских работ.
Есть и другие препятствия в переходе на память STT-MRAM. В частности, эта технология еще должна доказать надежность и соответствие требованиям по безопасному хранению данных при высоких температурах, например, для применения в автомобильной промышленности.
Так, Everspin планирует использовать свою память в качестве замены микросхем DRAM, которые применяются для кэширования операций записи в SSD‑накопителях и в RAID системах. Особенность DRAM в том, что при исчезновении напряжения питания все данные, которые находились в ней, и которые еще не были записаны на носитель, будут утеряны. Чтобы предотвратить это, в SSD устанавливаются конденсаторы, способные обеспечить питанием накопитель для того, чтобы успеть записать все находящиеся в буфере данные. К сожалению, эти конденсаторы увеличивают стоимость накопителей. В RAID-массивах применяют резервные батареи.
Эту проблему решает применение памяти STT-MRAM. Т. к. она энергонезависима, то данные не пропадают, а, значит, можно отказаться от использования резервных батарей или конденсаторов.
Еще одна сфера применения – встраиваемая память, например, в микроконтроллерах. Обычно, в одном чипе находятся несколько компонентов – процессор, SRAM, встроенная память, контроллеры для периферийных устройств и т. п. Причем, в качестве встроенной памяти, являющейся хранилищем микрокода контроллера и т. п., выступает флеш-память.
Выпуск подобных микроконтроллеров переходит на более тонкие техпроцессы, например, с 40 нм на 28 нм. Соответственно, утончается техпроцесс и применяемой флеш-памяти. Проблема в том, что при более тонких техпроцессах у этой памяти ухудшается долговечность, падают скорости записи/чтения. При этом стоимость такой флеш-памяти увеличивается, т. к. усложняется технология изготовления, при которой требуется применения нескольких масок. Вдобавок появляются сложности с масштабированием.
Все это неизбежно приводит к поискам альтернатив, а, учитывая тот факт, что встроенная память все больше используется в самых разных устройствах, этому сегменту рынка уделяется особое внимание. Замена привычной флеш-памяти – не такая простая задача. Для ее решения новый тип памяти должен выполнять несколько условий, среди которых надежность, быстродействие, плотность ячеек на кристалле и, конечно же, стоимость.
Существующая флеш-память будет востребована еще долго, т. к. там, где она применяется (в мобильных устройствах, в автомобильной электронике и т. п.), она справляется со своей работой хорошо, сочетая производительность, надежность и стоимость на хорошем уровне.
И все же, похоже на то, что именно память STT-MRAM уже практически готова к внедрению и наступлению на позиции традиционной флеш-памяти. В этом одно из преимуществ этой технологии, т. к. альтернативные решения, такие, как ReRAM или память на нанотрубках, пока что не вышли из этапа исследований и опытных образцов.
В одном из последних отчетов GlobalFoundries объявила, что провела демонстрацию использования технологии STT-MRAM для хранения данных. Зафиксировано низкое количество возникающих ошибок и заявлена возможность хранения данных в течение 10 лет при температуре 125°C.
Встроенная память STT-MRAM при использовании в микроконтроллерах может применяться не только для хранения микрокода, но и взять на себя часть функций кэширования, выполняемых сейчас SRAM. Это позволит уменьшить ее количество на кристалле, сэкономив тем самым место и удешевив. О полной замене SRAM речь пока что не идет.
Заключение. MRAM — что это, будущее?
Вполне возможно. Именно эта технология является лидером в списке альтернатив используемым ныне типам памяти. Причем использованием в автопромышленности, в устройствах интернета вещей, в мобильных устройствах, в качестве буферной памяти и т. п. дело не ограничится. Есть замашки и на вытеснение DRAM.
Четверка основных производителей готова в ближайшем будущем наладить выпуск микросхем памяти, использующих технологию STT-MRAM. Другое дело, готов ли рынок принять их. Да, достоинств у новой технологии много. Это и скорость работы, и долговечность, которая даже «не снилась» используемой ныне флеш-памяти. Но есть и недостатки, даже если сравнивать с NAND. Плотность расположения ячеек у STT-MRAM пока что ниже, чем у флеш-памяти. Да и техпроцессы, по которым может выпускаться новая память, пока что «толще», чем используемые при производстве NAND. Стоимость пока что тоже выше.
В то же время на рынке присутствует дефицит флеш-памяти, активно развивается тема многослойной NAND. В общем, быстрота перехода на новую память вызывает вопросы. И все же вероятность того, что именно STT-MRAM станет преемником, в первую очередь, флеш-памяти очень велика. А как там дальше будет – посмотрим.
Нанозернистые ферромагнетики успешно используют для записи и считывания больших компактных массивов информации не только на магнитных дисках, но и в оперативной памяти ЭВМ.
Элементарная ячейка новейшей магнитной памяти
Элементарной ячейкой такой памяти чаще всего является многослойная структура ( рис. 11.9), в которой объединены ферромагнитный запоминающий элемент и туннельный магниторезистивный датчик.
Рис.
11.9.
Ферромагнетик запоминающего слоя, хотя и имеет коэрцитивную силу, достаточную для того, чтобы долго сохранять записанную информацию, все же может быть перемагничен сильным внешним магнитным полем. Его в публикациях, касающихся магниторезистивной памяти, обычно называют "свободным" ферромагнитным слоем. А магнитожесткий слой выполняет функцию постоянного магнита, его коэрцитивная сила намного больше, и направление намагниченности даже в сильных полях остается неизменным. Соответственно его обычно называют "фиксированным" ферромагнитным слоем. На графике справа приведена типичная зависимость электрического сопротивления такой ячейки от напряженности внешнего магнитного поля. Когда запоминающий слой намагничен противоположно к фиксированному ферромагнитному слою, то электрическое сопротивление ячейки велико. Когда же внешнее магнитное поле превышает коэрцитивную силу запоминающего слоя, то он перемагничивается, электрическое сопротивление ячейки резко падает, оставаясь таким же низким и после исчезновения внешнего магнитного поля. Это и позволяет в любой момент проверить, в каком состоянии ("0" или "1") находится запоминающий элемент ячейки.
Оперативную память, построенную из таких ячеек, в англоязычных источниках называют MRAM (magnetoresistive random-access memory ). В отечественных публикациях ее также часто именуют "магниторезистивной памятью", хотя это и не совсем точно. Ведь информация (направление намагниченности) запоминается и сохраняется именно в ферромагнитном запоминающем слое, а совсем не в магниторезистивном датчике. Поэтому точнее было бы называть такой вид памяти "магнитным оперативным запоминающим устройством" (МОЗУ). Но такое название уже было в истории развития вычислительной техники: так продолжительное время называли ОЗУ на миниатюрных ферритовых кольцах, о которых мы упоминали в предыдущей лекции. Чтобы не создавать почвы для путаницы, мы также будем называть такой вид памяти магниторезистивным оперативным запоминающим устройством или магниторезистивным ОЗУ (МРОЗУ).
Матричная организация МРОЗУ
Магниторезистивные ячейки типа изображенной на рис. 11.9 в принципе могут быть очень малыми (до 10 нм) и довольно плотно упакованными. Однако из-за необходимости произвольного доступа к каждой из них при считывании и для записи информации реально обеспечить наибольшую плотность упаковки далеко не просто. Обычно используют матричную организацию, когда ячейки памяти размещают на пересечениях двух взаимно перпендикулярных систем шин-электродов ( рис. 11.10).
Рис. 11.10.
Одну из этих систем шин подключают к выходам дешифратора адреса. Это – адресные шины, которые иногда называют еще "шинами выбора слова" или "словарными шинами". Когда на дешифратор ОЗУ подается код адреса, дешифратор активирует лишь одну из этих шин, порядковый номер которой соответствует заданному адресу. Перпендикулярные разрядные шины соответствуют отдельным битам (разрядам) выбранного слова, которое считывается или записывается. Поэтому эти шины иногда называют также и "битовыми".
Для адресной матричной выборки отдельных ячеек памяти важна ориентация оси легкого намагничивания запоминающего слоя. Используемая ориентация оси легкого намагничивания в ячейках памяти относительно системы шин показана на рис. 11.11 . Эта ось образует с каждой системой шин угол .
Рис. 11.11.
Принципиальная схема формирования выходных сигналов в режиме считывания показана на рис. 11.12 . На дешифратор Дш подается -разрядный двоичный адрес того слова, которое надо считывать. Соответственно этому адресу Дш "выбирает" одну из шин, например, -ю адресную шину и подает на нее напряжение считывания . Величина электрического тока, который течет при этом в каждую разрядную шину, зависит от записанной в соответствующий разряд информации. Через те ячейки памяти, сопротивление которых велико, течет сравнительно малый ток, а через те, сопротивление которых мало, – сравнительно большой ток.
Каждая разрядная шина соединена со своей схемой усиления и формирования сигнала считывания (УФ1, УФ2, УФ3, ... , УФm), с выходов которых параллельно считывается записанное в памяти -разрядное двоичное слово.
Рис. 11.12.
Запись информации производится по разрядам. Принципиальная схема записи показана на рис. 11.13 . К началу записи на дешифратор Дш подается -разрядный двоичный адрес того слова, которое надо записать, а в регистр записываемого слова – его двоичный код. В соответствии с заданным адресом Дш "выбирает" одну из шин, например, -ю адресную шину и открывает соответствующий вентиль (напр., МДП транзистор). Через него в шину выбранного слова подается импульс электрического тока от источника тока записи (ИТЗ). Направление этого тока определяется тем, какой бит ("0" или "1") надо записать. Регистр записываемого слова поочередно посылает сигналы на источник тока каждой разрядной шины (ИТ1, ИТ2, ... , ИТm), под действием которых в разрядную шину подается импульс тока того или иного направления.
Процесс записи иллюстрирует рис. 11.14 . На нем слева ( рис. 11.14 .а) показана матрица магниторезистивной памяти. Стрелками показаны направления протекания электрического тока сквозь выбранные разрядную и адресную шины. Штриховыми линиями условно изображены силовые линии магнитного поля соответствующих токов.
Рис. 11.13.
) в запоминающем слое при противоположных направлениях тока (вид сверху). Через обозначено направление намагниченности магнитожесткого (фиксированного) слоя ячейки. В одном случае электрические токи перемагничивают запоминающий слой параллельно , а при противоположных направлениях токов – антипараллельно . Величина токов записи должна быть выбрана так, чтобы магнитное поле, созданное лишь одним из токов, было недостаточным для перемагничивания ячеек, прилегающих к соответствующей шине. И только действуя вместе на выбранную ячейку памяти, эти токи должны создавать суммарное магнитное поле , превышающее коэрцитивную силу и перемагничивающее запоминающий слой в нужном направлении.
