Магниторезистивная оперативная память (MRAM — ) — запоминающее устройство с произвольным доступом на основе спиновых вентилей. Хранит информацию при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов.

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 объёмом 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 может заменить другие типы компьютерной памяти и станет по-настоящему «универсальной» основой запоминающих устройств. Современные варианты магниторезистивной памяти – выпускаемый в настоящее время STT-MRAM (spin-transfer torque MRAM, запись данных с помощью переноса спинового момента)Samsung Ships First Commercial Embedded MRAM (eMRAM) Product // anandtech.com / и перспективный SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM, запись данных с помощью спин-орбитального вращательного момента)Кое-что новенькое: память SOT-MRAM можно выпускать в промышленных масштабах // 3DNews / NTHU team makes major MRAM discovery // Taipei Times / .

В России массовый выпуск микросхем и встраиваемых ячеек MRAM-памяти с 2013 года производится в Москве на заводе «Крокус наноэлектроника»IEF2013: Crocus MRAM to start mass-production this year // electronicsweekly.com / .

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 больший 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

Себестоимость производства микросхем памяти в первую очередь зависит от плотности 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.

В памяти типа DRAM в качестве элементов памяти используются конденсаторы, проводники переносят ток к ним и от них, и управляющие транзисторы – ячейка типа «1T/1C». Конденсатор представляет собой две маленькие металлические пластинки, разделённые тонким слоем диэлектрика, он может быть изготовлен таким маленьким, насколько это позволяет сделать текущее развитие технологического процесса. Память DRAM имеет наивысшую плотность ячеек из всех доступных на сегодняшний день типов памяти, например по сравнению с SRAM. Большинство современных микросхем DRAM памяти имеет размер ячейки 32 на 20 нм. Это делает её наиболее дешёвой, поэтому она используется в качестве основной оперативной памяти компьютеров.

Своей конструкцией ячейка памяти MRAM похожа на ячейку DRAM, хотя иногда в ней не используется транзистор для записи информации. Однако по мере уменьшения линейных размеров элементов MRAM появляется вероятность перекрытия внешним магнитным полем соседних ячеек и ложной записи данных (эффект полувыбора или нарушения записи). Из-за этого препятствия размер ячейки при использовании обычной технологии MRAM ограничен снизу значением 180 нм. Используя технологию MRAM с переключением режимов, можно достичь гораздо меньшего размера ячейки до того, как эффект полувыбора станет проблемой — около 90 нм. Это достаточно хорошие характеристики для внедрения в производство, и есть перспективы в достижении размера магниторезистивной памяти в 65 нм и менее.

Только одна современная технология памяти может конкурировать в быстродействии с магниторезистивной памятью. Это статическая память или SRAM. Ячейками SRAM-памяти являются триггеры, которые хранят одно из двух состояний так долго, как долго поступает энергия. Каждый триггер состоит из нескольких транзисторов. Так как для транзисторов характерно очень низкое энергопотребление, длительность их переключения очень мала. Но поскольку ячейка памяти SRAM состоит из нескольких транзисторов, — обычно четырёх или шести, — её площадь больше, чем у ячейки памяти типа DRAM. Это делает память SRAM более дорогостоящей, поэтому она используется только в малых объемах, — в качестве особо быстродействующей памяти, как, например, кэш-память и процессорные регистры в большинстве современных моделей центральных процессоров. Не следует забывать также, что и сейчас у процессоров делают несколько уровней кэш-памяти, имеющих разные скорость и объём.

Энергопотребление

Так как конденсаторы, используемые в микросхемах DRAM, со временем теряют свой заряд, микросхемы памяти, использующие их, должны периодически обновлять содержимое всех ячеек, считывая каждую ячейку и перезаписывая её содержимое. Это требует наличия постоянного источника питания, поэтому, как только питание компьютера отключается, память типа DRAM теряет всю хранимую информацию. Чем меньше размеры ячейки памяти, тем чаще необходимы циклы обновления, и в связи с этим энергопотребление растёт.

В отличие от DRAM, MRAM не требует постоянного обновления. Это означает не только то, что память сохраняет записанную в неё информацию при отключенном питании, но и то, что при отсутствии операций чтения или записи энергия вообще не потребляется. Хотя теоретически при чтении информации память MRAM должна потреблять больше энергии, чем DRAM, на практике энергопотребление при чтении у них почти одинаковое. Тем не менее, процесс записи требует в 3—8 и более раз большей энергии, чем при чтении, — эта энергия расходуется на изменение магнитного поля. Хотя точное количество сберегаемой энергии зависит от характера работы — более частая запись потребует больше энергии, — в целом ожидается более низкое энергопотребление (до 99 % меньше) в сравнении с DRAM. При применении технологии STT-MRAM потребление энергии при записи и чтении примерно одинаковое, и общее энергопотребление ещё меньше.

Можно сравнить магниторезистивную память с еще одним конкурирующим типом памяти, с флэш-памятью. Как и магниторезистивная память, флэш-память энергонезависима. Флэш-память не теряет информацию при отключении питания, что делает её очень удобной для замены жёстких дисков в портативных устройствах, таких, как цифровые плееры или цифровые камеры. При чтении информации флэш-память и MRAM почти одинаковы по уровню энергопотребления. Однако для записи информации в микросхемах флэш-памяти необходим мощный импульс напряжения (около 10 В), который накапливается через определённое время при накачке заряда, — для этого требуется много энергии и времени. Кроме этого, импульс тока физически разрушает ячейки флэш-памяти, и информация в флэш-памяти может быть записана ограниченное число раз, прежде чем ячейка памяти выйдет из строя.