MRAM: универсальная память с большими возможностями

Рассказывает директор по маркетингу компании Everspin Technologies Дж. Фруэ.

Многим приложениям с повышенными требованиями к надежности хранения данных нужна более долговечная, быстрая и эффективная память, превосходящая широко распространенную флешпамять или EEPROM. Одна из технологий, которая рассматривается в качестве альтернативы традиционным решениям,– магниторезистивная память, потенциально способная заменить большую часть существующих видов памяти. Она успешно сочетает преимущества энергонезависимой и оперативной памяти. Everspin Technologies – первый в мире массовый производитель магниторезистивной памяти с произвольным доступом(MRAM) – остается лидером в отрасли, несмотря на активные исследования этой технологии такими крупными компаниями, как IBM и Samsung. На выставке Embedded World 2018 директор по маркетингу компании Everspin Technologies Джон Фруэ (John Fruehe) рассказал нам о преимуществах технологии MRAM, особенностях продуктовой линейки компании, ключевых приложениях и перспективах магниторезистивной памяти.

Магниторезистивная память компании Everspin представляет собой память с произвольным доступом (MRAM), которая хранит информацию при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов. Использование магнитных состояний для хранения данных обусловлено двумя основными преимуществами. Первое – магнитная поляризация не исчезает со временем, в отличие от утечки электрических зарядов, поэтому информация хранится даже при отключении питания. Второе – переключение магнитной поляризации между двумя состояниями не связано с движением электронов или атомов, поэтому на сегодня неизвестны механизмы износа памяти.

Ячейки памяти MRAM от Everspin содержат управляющий транзистор и магнитный туннельный переход (Magnetic Tunnel Junction – MTJ) в  качестве запоминающего элемента. MTJ состоит из тонкого (порядка 1 нм) диэлектрического слоя, помещенного между двумя магнитными слоями, один из которых (так называемый свободный) может изменять свою полярность, а полярность другого (фиксированного) неизменна. Когда на MTJ подается смещение, электроны поляризуются магнитным слоем и  пересекают диэлектрический барьер благодаря процессу туннелирования. При этом для MTJ характерно малое сопротивление, когда магнитный момент свободного слоя направлен параллельно магнитному моменту фиксированного слоя, и высокое – когда магнитный момент свободного слоя направлен противоположно магнитному моменту фиксированного слоя. Такие изменения сопротивления, вызванные магнитным состоянием устройства, известны как магниторезистивный эффект. Низкое или высокое сопротивление MTJэлемента определяет, как будет прочитано содержимое ячейки: «0» или «1».

Важнейшие преимущества MRAM от Everspin – высокая скорость записи / чтения (сравнимая с RAM и превышающая флеш-память в 500 раз), длительное хранение данных (более 20 лет при температуре до 125 °C), неограниченное число циклов перезаписи, широкий температурный диапазон. Кроме того, магнитные запоминающие элементы MRAM легко интегрируются в  стандартный КМОП-процесс.

Первое поколение MRAM, основанное на полевом переключении MTJ (Toggle MRAM), компания Everspin производит уже на протяжении почти девяти лет. Сегодня в продуктовой линейке Toggle MRAM – микросхемы с параллельным и последовательным интерфейсом емкостью от 128 Кбит до 16 Мбит, которые выпускаются по технологическим нормам 180 нм и 130 нм. Параллельные MRAM (8- или 16-разрядные) имеют время чтения / записи на уровне 35 / 45 нс и асинхронный интерфейс, применяемый в стандартных SRAM. Последовательные MRAM оснащены SPI-интерфейсом (аналогичный используется в обычной флеш-памяти или EEPROM), работают на частоте 40 МГц. Микросхемы MRAM поставляются в корпусах типа TSOP и BGA, которые по выводам и сигналам совместимы с памятью типа EEPROM, SRAM и флеш-памятью других производителей. Последовательные MRAM предлагаются в компактных корпусах типа DFN с умень- шенным профилем. Рабочий диапазон температур этих микросхем от –40 до 125 °C.

Технология MRAM нечувствительна к нейтронам и альфачастицам, поэтому интенсивность случайных сбоев этих микросхем более чем на два порядка меньше по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти. Благодаря этому наша память – надежное решение для многих космических приложений. Стоит отметить, что MRAM компании Everspin отличаются высокой радиационной стойкостью: выдерживают воздействие ионизирующего излучения на уровне 75 крад и устойчивы к  «защелкиванию» из-за потока тяжелых заряженных частиц с  энергией 84 МэВ · см 2 / мг.

Стойкость MRAM от Everspin к магнитному полю соответствует требованиям стандарта IEC-61000-4-8, регламентирующего минимальное значение напряженности поля в 1 000 А / м.

Несмотря на очевидные преимущества памяти Toggle MRAM, для них характерно ограничение по масштабированию технологического процесса – перейти на проектные нормы менее 100 нм невозможно, поэтому максимальная емкость чипов не превышает 16 Мбит.

Для преодоления этого ограничения мы разработали новое поколение MRAM – STT-MRAM. В этих устройствах для записи битов используется технология переноса спинового момента (spin-torque transfer – STT) электронами с определенным состоянием спина (так называемые поляризованные электроны). При прохождении через ферромагнитный слой электроны изменяют собственный магнитный момент слоя и переориентируют его намагниченность. Такой способ позволяет значительно уменьшить по сравнению с  Torque MRAM энергию переключения, необходимую для записи битов в ячейку памяти, что расширяет возможности масштабирования. С помощью технологии STT-MRAM можно создавать память повышенной емкости на основе техпроцессов 65 нм, 40 нм и менее.

Первые образцы STT-MRAM емкостью 64 Мбит мы разработали в 2012 году. Эти чипы функционально совместимы со стандартным DDR3-интерфейсом, на их основе был изготовлен DDR3-модуль общей емкостью 64 Мбайт.

Для дальнейшего развития технологии STT-MRAM компания Everspin разработала модифицированный вариант MTJ, который получил название перпендикулярный MTJ (pMTJ). В  них магнитные моменты ориентированы перпендикулярно подложке. По сравнению с ячейками памяти на основе плоскостных MTJ (in-plane MTJ), которые использовались в первых образцах Toggle MRAM и STT-MRAM, перпендикулярные MTJ требуют меньшей энергии записи, что позволило уменьшить размеры ячейки, снизить потребление и  открыло еще большие воз- можности для масштабирования и  снижения стоимо- сти микросхем.

В  2016  году компания Everspin представила первые образцы STT-MRAM емкостью 256 Мбит на основе pMTJ, с  конца 2017  года эти микросхемы выпускаются серийно. Их интерфейс ST-DDR3 совместим со стандартным интерфейсом DDR3-памяти. Микросхемы, изготовленные по 40-нм технологии, работают, как обычные DRAM, но обладают всеми преимуществами магниторезистивной памяти (энергонезависимость, высокая надежность, длительный срок хранения информации) и не требуют специальных циклов восстановления заряда в ячейках памяти.

Успехи в развитии технологии STT-MRAM позволили нам разработать и представить в 2017 году опытные образцы STT-MRAM на основе pMTJ емкостью 1 Гбит. Микросхема, оснащенная DDR4-совместимым интерфейсом, производится по 28-нм процессу на 300-мм пластинах в  сотрудничестве с  контрактным производителем чипов Global Foundries. Планируем к  концу текущего года наладить серийное производство этих чипов. В наших планах также разработка STT-MRAM с  последовательным интерфейсом для широкого спектра встраиваемых приложений.

По мере развития технологии MRAM открываются широкие перспективы для ее применения в самых разных областях – в первую очередь в аэрокосмической, автомобильной, финансовом и  промышленном секторе, оборонной промышленности и сегменте корпоративных систем хранения данных. Сегодня MRAM от Everspin находит применение в сферах, требующих быстрого и гарантированного сохранения информации при любых воздействиях. Чем в большей степени система или приложение подвержены влиянию внезапной потери данных, тем выше ценность MRAM. Например, в автомобильных навигационных системах или в системах управления космическим аппаратом, где нужно обеспечить постоянную регистрацию данных, последствия потери данных могут быть катастрофическими. Использование MRAM в RAID- хранилищах данных обеспечивает сохранность записей системных журналов и информации, записанной в кэше, при любых сбоях в системе электропитания.

Поскольку реализация структуры MTJ в стандартном КМОП-процессе производится между операциями формирования двух последних слоев металлизации, интеграция MRAM в КМОП-схемы не требует изменения последовательности КМОП-процесса. Это очень удобно для встраиваемых решений, таких как процессор, микроконтроллер или система-на-кристалле. В перспективе эта память способна заменить в этих устройствах встроенную флеш-память, EPROM и  даже SRAM. Интегрирование MRAM в СнК повышает гибкость в разделении встроенной памяти между программами и  данными в  зависимости от требований приложения. При этом программы и данные могут динамически и с высокой скоростью обновляться в условиях эксплуатации конечного устройства. Для поддержки разработчиков встраиваемых решений Everspin предлагает заказные IP-блоки MRAM и ло- гики управления памятью. Дальнейшая оптимизация технологии и универсальный характер MRAM позволят сократить количество типов применяемой в устройствах памяти, обеспечив эффективную альтернативу флеш-памяти, DRAM и SRAM.

На российском рынке компания Everspin присутствует достаточно длительное время. Наши заказчики используют MRAM от Everspin в  интеллектуальных счетчиках, измерителях мощности и  других промышленных приложениях. Текущая рыночная ситуация не повлияла на наш бизнес в  России. Официальным дистрибьютором Everspin в  стране является компания «Макро Групп», с  которой мы поддерживаем взаимовыгодные и  прочные отношения.

 

Опубликовано в журнале «Электроника НТБ №3 2018».