Technologia MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) pozwala na produkcję układów pamięci nieulotnej. Często wymieniana jest, wspólnie z m.in. FRAM (Ferroelectric RAM) oraz RRAM (Resistive RAM), w gronie potencjalnych technologii przyszłości, mogących w niedalekim czasie stanowić realną konkurencję dla układów pamięci półprzewodnikowych typu Flash.
Rozwój technologii MRAM pozwolił na przestrzeni kilku ostatnich lat znacznie obniżyć cenę tego rodzaju układów. Przewiduje się, że jeśli trend ten utrzyma się w przyszłości, za kilka lat układy MRAM mogą być porównywalne pod względem ceny (w przeliczeniu kosztu układu na jednostkę pojemności pamięci) z pamięciami NOR Flash (rys. 1).
Zasada działania technologii MRAM
W przeciwieństwie do większości rodzajów pamięci półprzewodnikowych, w układach MRAM do przechowywania danych wykorzystuje się energię pola magnetycznego, nie zaś elektrycznego. Podstawowa komórka pamięci składa się z dwóch warstw magnetycznych przedzielonych niemagnetyczną barierą tunelową.
Jedna z warstw magnetycznych ma określoną na stałe polaryzację, zaś polaryzacja drugiej warstwy może być zmieniana przez przepływ prądu elektrycznego. W zależności od wzajemnej polaryzacji obu warstw zmienia się rezystancja całej komórki. Układ charakteryzuje się niską rezystancją dla warstwy spolaryzowanych jednakowo oraz wysoką dla warstw spolaryzowanych przeciwnie. Odczyt danych zapisanych w komórce polega zatem na pomiarze jej rezystancji.
Wielkość pojedynczej komórki pamięci MRAM w najprostszej konfiguracji (1T-1MTJ, czyli pojedynczy tranzystor oraz magnetyczne złącze tunelowe) porównywalna jest z wielkością komórki pamięci RAM (1T-1C, czyli tranzystor oraz kondensator). W zależności od rozmiaru i architektury pamięci zmieniają się też jednak jej właściwości (rys. 3).
Układ 1T-1MTJ charakteryzuje się najmniejszym rozmiarem oraz największą szybkością zapisu i odczytu, lecz również najmniejszą trwałością zapisanych danych (najkrótszym czasem retencji). Wymaga też bardzo wysokiej czułości toru pomiarowego podczas odczytu danych.
Zwiększenie rozmiaru złącza magnetycznego (1T-1MTJ Plus) pozwala poprawić dokładność odczytu oraz czas retencji kosztem wydłużenia procesu zapisu. Dalszą poprawę czasu retencji uzyskuje się poprzez zdublowanie komórki pamięci (2T-2MTJ), znacząco zwiększa to jednak rozmiary układu.
Zastosowania pamięci MRAM
Układy MRAM już dziś mogą stanowić atrakcyjne rozwiązanie dla systemów wbudowanych, szczególnie w celu przechowywania kodu programu. Do głównych zalet tego typu pamięci należy duża szybkość zapisu oraz odczytu, energooszczędność, a także wysoka trwałość, pozwalająca na wykonanie nawet do 100 milionów cykli zapisu bez uszkodzenia komórki pamięci (tab. 1). Produkcja układów MRAM nie jest ponadto dużo droższa od wytwarzania standardowych układów półprzewodnikowych (wymaga jedynie dodania kilka dodatkowych masek procesu).
Na rysunku 4 przedstawiono schemat typowych układów pamięci MRAM oraz Flash. Pamięć MRAM wymaga wprawdzie bardziej zaawansowanej korekcji błędów (większy blok ECC), nie potrzebuje jednak generatora wysokiego napięcia, niezbędnego w procesie zapisu Flash. Układy MRAM wymagają ponadto toru pomiarowego o większej czułości, przez co potrzebują bardziej dokładnego źródła napięcia odniesienia.
Pamięci MRAM wykorzystuje się obecnie w wielu urządzeniach, m.in. jako nieulotną pamięć cache dla kontrolerów RAID oraz dysków SSD (w miejsce układów DRAM). Pozwala to wyeliminować konieczność stosowania elementów niezbędnych do podtrzymania zasilania układów DRAM, takich jak baterie lub kondensatory. Jeśli rozwój technologii spowoduje dalszy spadek ceny oraz wzrost gęstości upakowania układów MRAM, zapewne staną się one silnym graczem na rynku pamięci dla systemów wbudowanych, mogącym częściowo zastąpić zarówno pamięci SRAM jak i Flash.
Damian Tomaszewski
