11 mitów dotyczących technologii MRAM

ST-MRAM, czyli Spin Torque Magnetoresistive RAM to nowa generacja układów MRAM, charakteryzująca się lepszą skalowalnością oraz niższym poborem energii elektrycznej. Jest to pamięć nieulotna, przy czym posiada czas zapisu i odczytu porównywalny z układami DRAM oraz SRAM.

Niektóre jej właściwości są jednak nietypowe i niespotykane w innych rodzajach pamięci. Z tego powodu do powszechnej opinii przedostają się niekiedy błędne lub nie do końca precyzyjne informacje na temat tego typu układów. Poniżej przedstawiono najpopularniejsze z nich.

Zapis do pamięć ST-MRAM jest całkowicie przewidywalny i deterministyczny

W większości innych typów pamięci, jak np. SRAM oraz DRAM, zapis określonej wartości do komórki pamięci zawsze skutkuje ustawieniem wybranego stanu pamięci, z wyłączeniem sytuacji wynikających z błędów sprzętowych, programowych lub zakłóceń otoczenia. Zapis do pamięci MRAM, czyli zmiana wektora polaryzacji magnetycznej jednej z warstw komórki pamięci, jest zjawiskiem probabilistycznym, tzn. dla określonych warunków (m.in. natężenia prądu) istnieje określone prawdopodobieństwo zajścia takiego zjawiska.

Większość zapisów do pamięci MRAM będzie zatem prawidłowa, niekiedy mogą jednak wystąpić błędy wynikające z samej zasady działania technologii. Jednym z głównych wyzwań dla projektantów układów MRAM jest utrzymywanie jak najniższego wskaźnika WER (Write Error Rate) oraz opracowanie efektywnej metody kompensacji błędów zapisu.

Specyfikacja czasowa pamięci MRAM jest zbliżona do układów SRAM, zatem w najbliższym czasie powinny one całkowicie zastąpić ten rodzaj pamięci

Układy MRAM mogą być zoptymalizowane pod kątem określonych parametrów. Przykładowo, zwiększenie poziomu napięcia podczas procesu zapisu poprawia zarówno specyfikacje czasowe, jak i wspomniany wcześniej wskaźnik WER układu.

Jednocześnie znacząco zwiększa zużycie energii i redukuje trwałość urządzenia, tzn. liczbę cykli zapisu po której bariera tunelowa ulegnie uszkodzeniu. Jak w przypadku każdej technologii, kluczem do sukcesu w konkretnym zastosowaniu jest znalezienie odpowiedniego balansu pomiędzy kilkoma wzajemnie się znoszącymi parametrami, takimi jak szybkość, energooszczędność, trwałość i czas retencji.

Pamięci MRAM to nowsza odmiana dawnych pamięci ferrytowych, jedynie o mniejszym rozmiarze

Określenie MRAM odnosi się obecnie do trzech różnych generacji urządzeń. Pierwsze generacja rzeczywiście działała na zasadzie zbliżonej do dawnych pamięci ferrytowych, wykorzystując przełączanie z pomocą pola magnetycznego. W drugiej generacji układów wektory magnetyczne są równoległe do powierzchni podłoża (wafla krzemowego), zaś ich przełączanie odbywa się przez przepływ prądu elektrycznego bezpośrednio przez warstwy magnetyczne. W trzeciej generacji wektory pól magnetycznych skierowane są prostopadle do płaszczyzny warstwy magnetycznej (podłoża). Główny wysiłek badawczo-rozwojowy skoncentrowany jest obecnie na układach MRAM trzeciej generacji.

Pamięci MRAM charakteryzują się wysokim zużyciem energii

W rzeczywistości pamięci MRAM są bardzo energooszczędne. W porównaniu do układów Flash, pamięć STT-MRAM potrzebuje ok. tysiąckrotnie mniej energii do zapisu jednego bitu danych. W przeciwieństwie do pamięci SRAM i DRAM nie wymaga również energii do podtrzymywania oraz odświeżania zapisanej informacji.

MRAM jest najbardziej skomplikowana spośród wszystkich rozwijanych technologii pamięci nowej generacji

Każda z nowo opracowywanych oraz rozwijanych technologii pamięci posiada pewne skomplikowane właściwości i charakterystyki, zaś MRAM nie jest tutaj wyjątkiem. Jednym z tego typu aspektów jest wspomniana już probabilistyczna natura tego rodzaju pamięci.

W porównaniu do innych równolegle rozwijanych rozwiązań podstawowe zasady działania układów MRAM zostały jednak znacznie lepiej poznane oraz przetestowane, ponieważ technologia ta wywodzi się w znacznej mierze z rozwiązań stosowanych w magnetycznych dyskach twardych. Magnetyczne złącze tunelowe obecne w komórce pamięci MRAM jest podobne do złącza wykorzystywanego w głowicy dysku twardego, zaś tego typu głowic na przestrzeni wielu ostatnich lat wyprodukowano już miliardy.

Układy MRAM cechują się szybkością pamięci SRAM połączoną z trwałością pamięci Flash

Powyższe zdanie będzie prawdziwe, jeśli każdą jego część odczyta się osobno. Szybkość zapisu i czas retencji to parametry wzajemnie się wykluczające - poprawa jednej z tych cech skutkuje pogorszeniem drugiej. Prawdą jest, że układy MRAM mogą posiadać czas retencji porównywalny lub lepszy od pamięci Flash, charakteryzując się przy tym krótszym czasem dostępu i lepszą energooszczędnością. Jednocześnie zaś układom MRAM o parametrach czasowych zbliżonych do SRAM trudno będzie osiągnąć czas retencji dłuższy niż pojedyncze minuty, ewentualnie godziny.

Proces produkcji układów MRAM jest bardzo skomplikowany

Produkcja układów MRAM jest w zasadzie dość prosta - wymaga naniesienia dodatkowej warstwy materiału, następnie jej wytrawienia oraz połączenia. Wyzwanie polega na uzyskaniu materiału odpowiedniej jakości i prawidłowym jego wytrawieniu dla układów o dużej gęstości upakowania. Po przekroczeniu odpowiedniego progu technologicznego produkcja układów MRAM nie jest jednak dużo droższa od standardowych obwodów CMOS - wymaga jedynie dodania od dwóch do trzech dodatkowych masek procesu.

Rozmiar magnetycznego złącza tunelowego (MTJ) nie powinien przekraczać wymiaru charakterystycznego procesu technologicznego

Wielkość MTJ jest raczej luźno związana z rozmiarem procesu technologicznego. Przykładowo, maksymalny rozmiar MTJ dla procesu technologicznego 28 nm to ok. 60 nm. Wybór właściwej wielkości MTJ jest znacznie bardziej skomplikowany, ponieważ wraz z tym parametrem zmianie ulega wiele podstawowych elementów specyfikacji pamięci MRAM.

Sprzęt do produkcji układów MRAM wywodzi się wprost z branży dysków twardych, nie jest zatem przystosowany do masowej produkcji układów półprzewodnikowych

Sprzęt dedykowany typowo do produkcji układów MRAM znaleźć można w ofercie wielu producentów i dostawców. Tego typu urządzenia produkowane są między przez przedsiębiorstwa takie jak Tokyo Electron Limited, Applied Materials, czy LAM Research.

Pole magnetyczne pochodzące od komórki MRAM może zakłócać pracę sąsiednich warstw CMOS, jak również czujników magnetycznych i kompasów wykorzystywanych w urządzeniach mobilnych

Pole pochodzące z warstw magnetycznych bardzo szybko zanika (podlega tłumieniu) wraz z odległością. Na głębokości tranzystora CMOS jego natężenie (a zarazem wpływ na pracę obwodów) jest już pomijalnie małe.

Dane zapisane w pamięci MRAM mogą zostać utracone na skutek oddziaływania czynników zewnętrznych - układy MRAM są pod tym względem mniej niezawodne od SRAM

Zasada działania pamięci SRAM oraz DRAM powoduje, że są one szczególnie narażone na utratę danych wskutek oddziaływania promieniowania jonizującego. Wrażliwość na działanie tego czynnika narasta wraz z postępującą redukcją rozmiaru komórki pamięci. Układy MRAM są z kolei odporne na negatywny wpływ promieniowania jonizującego. Z tego powodu mogłyby być świetnym rozwiązaniem dla przemysłu kosmicznego i innych zastosowań, w których obecne jest silne promieniowanie otoczenia.