Магниторезистивная оперативная память (MRAM — англ. magnetoresistive random-access memory) — запоминающее устройство с произвольным доступом, которое хранит информацию при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов.

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 1960х 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 важна 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 переключение с помощью переноса спина, использует электроны с заданным состоянием спина («поляризованные»), прямо вращая области. Особенно, если электроны текут внутрь слоя, должно измениться их вращение, это будет способствовать вращению, будет перенесено на ближайший слой. Это уменьшает величину тока, необходимую для записи информации в ячейку памяти, и потребление только при чтении и записи становится примерно одинаковым. Технология STT должна решить проблемы с которыми «классическая» технология MRAM будет сталкиваться 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. Нижняя сторона такая, в настоящее время, STT необходимо переключать больше тока через управляющий транзистор, чем обычной MRAM, требующей больший транзистор, и необходимо 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 вертикальный столбцы меняет магнитную ориентацию, и такое геометрическое расположение ячеек памяти уменьшает проблему случайного перемагничивания и соответственно может увеличить возможную плотность размещения ячеек.

Плотность размещения элементов в микросхеме

Главным фактором, от которого зависит себестоимость производства микросхем памяти, это 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.

В памяти типа DRAM в качестве элементов памяти используются конденсаторы, проводники переносят ток к ним и от них, и управляющий транзистор — так называемая ячейка «1T/1C». Конденсатор представляет собой две маленькие металлические пластинки, разделённые тонким слоем диэлектрика, он может быть изготовлен таким маленьким, как это позволяет сделать текущее развитие технологического процесса. Память DRAM имеет наивысшую плотность ячеек из всех доступных на сегодняшний день типов памяти. Это делает её наиболее дешёвой, и 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 как упоминалось выше, память MRAM испытывает проблему полувыбора, из-за которой размер ячейки при использовании обычной технологии MRAM ограничен размером 180 нм и более. Используя технологию MRAM с переключением режимов можно достичь гораздо меньшего размера ячейки до того как эффект полувыбора станет проблемой — по видимому около 90 нм. Большинство современных микросхем DRAM памяти имеют размер ячейки 32 и 20 нм. Хотя это достаточно хорошие характеристики для внедрения в производство, есть перспективы в достижении магниторезистивной памятью размеров 65 нм, аналогично самым передовым устройствам памяти, для этого требуются использовать технологию STT.

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 растет.

В отличие от DRAM, MRAM не требует постоянного обновления. Это означает не только то, что память сохраняет записаннную в нее 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 энергоёмкость чтения у них почти одинаковая. Тем не менее, процесс записи требует от в 3—8 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 еще меньше.

Можно сравнить магниторезистивную память с еще одним конкурирующим типом памяти, с флэш-памятью. Как и магнито-резистивная 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 определенное 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.

В отличие от флэш-памяти, микросхемам MRAM для записи энергии требуется ненамного больше, чем для чтения. Но при этом не надо увеличивать напряжение и не требуется накачка заряда. Это ведёт к более быстрым операциям, меньшему энергопотреблению, и к отсутствию ограничения срока службы. Предполагается что, флэш-память будет первым типом микросхем памяти, который будет со временем заменён MRAM.

Быстродействие

Быстродействие памяти типа DRAM ограничено скоростью, с которой заряд, хранящийся в ячейках, может быть слит (для чтения) или накоплен (для записи). Работа MRAM основана на измерении напряжений, что предпочтительнее, чем работа с токами, так как переходные процессы более быстрые. Исследователи IBM продемонстрировали устройства MRAM с временем доступа порядка 2 нс, что заметно лучше чем даже у самых совершенных DRAM, построенных на самых новых технологических процессах. Преимущества по сравнению с Flash-памятью более значительные, — длительность чтения у них почти одинаковая, но длительность записи в MRAM в тысячи раз меньше.

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 объем.

Хотя магниторезистивная память не такая быстрая, как SRAM-память, она достаточно интересна и в этом качестве. Она обладает более высокой плотностью, и разработчики центральных процессоров могли бы в будущем выбирать для использования в качестве кэш-памяти между большим объемом менее быстрой MRAM-памяти и меньшим объемом более быстрой SRAM-памяти. Остаётся увидеть, как она продаётся, как сыграет в будущем.

Общее сравнение

Магниторезистивная память имеет быстродействие, сравнимое с памятью типа SRAM, такую же плотность ячеек, но меньшее энергопотребление, чем у памяти типа DRAM, она более быстрая и не страдает деградацией по прошествии времени в сравнении с флэш-памятью. Это та комбинация свойств, которая может сделать её «универсальной памятью», способной заменить SRAM, DRAM и EEPROM и Flash. Этим объясняется большое количество направленных на её разработку исследований.

Конечно, на данный момент MRAM ещё не готова для широкого применения. Огромный спрос на рынке флэш-памяти вынуждает производителей к агрессивному внедрению новых технологических процессов. Самые последние фабрики, на которых например изготавливает микросхемы флэш-памяти ёмкостью 16 Гбайт фирма Samsung, используют 50 нм технологический процесс. На более старых технологических линиях изготавливаются микросхемы памяти DDR2 DRAM, для которых используется 90 нм технологический процесс предыдущего поколения.

Магниторезистивная память всё ещё в значительной степени находится «в разработке», и производится с помощью устаревших технологических процессов. Так как спрос на флэш-память в настоящее время превышает предложение, то еще не скоро появится компания, которая решится перевести одну из своих фабрик, с новейшим технологическим процессом на изготовление микросхем магниторезистивной памяти. Но и в этом случае, конструкция магниторезистивной памяти на сегодняшний момент проигрывает флэш-памяти по размерам ячейки, даже при использовании одинаковых технологических процессов.