Volframkihiga SOT-MRAM-mälu: kiirust ja tõhusust ühendav panus

Riistvara juhend » Komponendid » ladustamine » Volframkihiga SOT-MRAM-mälu: kiirust ja tõhusust ühendav panus

SOT-MRAM mälu volframkihiga on hiilinud kõrgetasemelisse arutellu arvutite tuleviku üle ühel selgel põhjusel: see lubab ühendada samal kiibil murrangulise kiiruse, volatiilsuse ja ülimadala energiatarbimise. Tehisintellekti ja asjade interneti ajastul, kus iga millivatt loeb, on selle magnetoresistiivse tehnoloogia eesmärk ümber defineerida nii Suure jõudlusega RAM näiteks püsimälu.

Pealkirjast kaugemale, mis mängu tegelikult muudab Need on konkreetsed edusammud: elemendid, mis kirjutavad ilma abiväljata 0,35 nanosekundiga, mille kirjutusvõimsus on vaid 156 fJ ja mis on 35% parem kui eelmiste SOT-põlvkondade puhul. Kõik see säilib termilise stabiilsuse ja ... Väga kõrge TMR, võtmekomponendid MRAM-i viimiseks laborist 300 mm tehasesse ja seejärel sülearvutisse, mobiiltelefoni või andmekeskusesse.

Mis on SOT-MRAM ja miks kõik sellest räägivad?

SOT-MRAM (Spin-Orbit Torque MRAM) on MRAM-i variant, mis kasutab pöörlemis-orbiidi pöördemomendid See genereeritakse raskmetallide kihtides, et muuta magnetilise tunneli ühenduskoha (MTJ) "vaba kihi" magnetilist olekut. Erinevalt DRAM-ist ja SRAM-ist ei vaja see värskendamist ning võrreldes välkmäluga kirjutab see kiiresti, ilma kõrgepingeta ja praktiliselt piiramatu vastupidavusega.

Tüüpilises MTJ-s eksisteerivad koos fikseeritud ferromagnetiline kiht (viide), üliõhuke isoleeriv barjäär ja vaba ferromagnetiline kiht, mille orientatsiooni saab muuta. Kui mõlemad kihid on joondatud, on takistus madalam; kui need on antiparalleelsed, siis takistus suureneb. Seda erinevust mõõdetakse lugemise ajal 0/1 kodeerimiseks, mittepurustavalt ja väga kiiresti.

SOT-MRAM paigutab kirjutusvoolu tasapinnale paralleelselt rakuga, kasutades spinn-Halli efekti sellistes materjalides nagu volfram, tantaal või plaatina, et süstida vabasse kihti nurkmomenti. Eelis? Äärmiselt suured kiirused ja väiksem kulumine lisaks lugemis- ja kirjutamisradade füüsilisele eraldamisele, mis parandab kogu süsteemi töökindlust.

Kahe takti füüsika: spinn, MTJ ja kaks lülitusrada (STT vs SOT)

Elektroni spinni võib pidada pisikeseks kvantkompassiks, mis osutab "üles" või "alla". Tunneli magnettakistus See juhtub seetõttu, et elektronid läbivad isoleerivat barjääri erineva tõenäosusega, olenevalt kahe ferromagnetilise kihi suhtelisest joondumisest. See takistuse varieerumine on MRAM-elementide lugemise aluseks.

STT-MRAM-is (spinniülekande pöördemoment) voolab vool läbi MTJ ja kannab pöörlemispöördemomendi üle vaba kihi ümbersuunamiseks. See on kaubanduslikult kõige küpsem variant, mida kasutatakse laialdaselt mikrokontrollerites ja manussüsteemides. SOT-MRAM-is voolab vool läbi külgneva metallikihi; spin-Halli efekt tekitab spinnvoolu, mis lülitab vaba kihti. SOT on MTJ-s üldiselt kiirem ja vähem pealetükkiv ning sellel on helge tulevik SRAM-i asendajana vahemäludes.

Samuti on uuritud täiendavaid lahendusi, näiteks seadmeid. multiferroics kus elektriväljad aitavad magnetiseerumist parandada või tagasi pöörata, ja „kaldus” konstruktsioonid, mis hõlbustavad kirjutamist ilma välise abivälja vajaduseta, lihtsustades vooluringi ja parandades efektiivsust.

Tohoku hüpe: 0,35 ns, 156 fJ ja kirjutamine ilma abiväljata

Tohoku ülikooli meeskond on näidanud, et kallutatud SOT-MRAM ...võimeline kirjutama 0,35 nanosekundiga ilma välise magnetväljata. Võti peitub 75° nurga all olevas "kaldus" disainis ja selle optimeerimises mikromagnetilise simulatsiooni ja 300 mm vahvliprotsessi abil, mis sobib tööstuslikuks tootmiseks skaleerimiseks.

Nurk ja nurga optimeerimine vaba kihi anisotroopia See on võimaldanud vähendada kirjutusvõimsust 156 femtodžaulini, mis on 35% vähem kui varasematel võrreldavatel SOT-tehnoloogiatel, säilitades samal ajal E/kBT termilise stabiilsusteguri 70 (stabiilsus termiliste kõikumiste vastu) ja väga kõrge TMR-i suhte (170%). Teisisõnu: tippkiirus, minimaalne energiatarve ja vastupidavus.

Need parameetrid kõrvaldavad kolm peamist takistust: jõudlus, tõhusus ja ühilduvus 300 mm tootmisvoo ulatuses. See avab ukse selle kasutamiseks andmekeskused, tehisintellekti, asjade interneti, nutitelefonide ja nõudlike manussüsteemide arendamine, kus volatiilsuse ja madala energiatarbe kombinatsioon on puhas kuld.

Kõik see on kooskõlas eesmärgiga, mille meeskond ise väljendas: kohandada MRAM-i ühiskonnale, mida kiirendavad tehisintellekt ja asjade internet, seades esikohale vähenda kirjutamisenergiat ohverdamata tänapäeva riistvara poolt nõutavaid ülikiireid kiirusi.

Mida annab volframkiht SOT-MRAM-ile?

SOT-seadmetes on pöörlemisorbiidi pöördemomenti tekitav raskmetallikiht ülioluline. Volfram (eriti selle β-faasis) See paistab silma oma suure spinn-Hall-nurga poolest, mis tähendab suuremat efektiivsust laadimisvoolu spinnvooluks muundamisel. Lihtsamalt öeldes: vähem energiat biti vahetamiseks ja kiiremad lülitusajad.

Lisaks volframile leidub ka selliseid metalle nagu tantaal või PlaatinaTegelikult on akadeemilised uuringud näidanud edusamme, kui magnetiliste kihtide alla lisatakse nanomeetri suuruseid plaatinakihte, mis hõlbustavad lülitamist ja vähendavad energiatarbimist kirjutamisoperatsioonide ajal. Kõigil juhtudel on idee sama: materjalid, millel on tugev spinn-orbiit sidestus, mis süstivad spinni tõhusalt vabasse kihti.

Raskmetallide valik mõjutab kriitilisi parameetreid: kirjutamisvoog (ja seega võimsus), kiire töökindlus, ühilduvus MTJ virnastusega ja CMOS-protsessi BEOL-iga. Volfram paistab silma oma SOT-efektiivsuse poolest, kuid tööstus hindab ka selle integreerimist täiustatud protsessidesse, mis on tipptasemel sõlmede kaalumisel võtmetähtsusega.

Väärib märkimist, et Tohoku edusammud kaldenurkade loomisel keskenduvad arhitektuurile ja anisotroopia inseneriteadus, samas kui teised read, näiteks plaatinafooliumil või multiferroilistel meetoditel põhinevad, uurivad vastastikuseid võimalusi. Kõik aitab kaasa ühisele eesmärgile: vähem energiat biti kohta, suurem kiirus ja masstootmisega ühilduvad protsessid.

MRAM ja STT-MRAM tänapäeval: reaalmaailma tooted, kiirgus ja äärmuslikud keskkonnad

Kuna SOT-MRAM peenhäälestab oma ulatuslikku hüpet, siis STT-MRAM on nüüd turulLennundus- ja kosmoserakenduste jaoks on saadaval 64 Mb ja 1 Gb seadmed hermeetiliste keraamiliste korpustega (CLGA/CBGA) ning RAD-HARD, RAD-tolerantsete ja karastamata variantidega. Need mälud pakuvad tõeliselt juhuslikku lugemis- ja kirjutamisjuurdepääsu, suurt magnetvoogu taluvust (vähendatud varjestusnõuded) ja suurepärast võimsusprofiili.

Karmides tingimustes garanteerivad need komponendid andmete säilitamine üle 10 aasta vahemikus -40 kuni +125 °C, tüüpilise pingega 2,7 kuni 3,6 V ja minimaalse ligipääsuajaga umbes 45 ns sõjaväepiirkonnas. See tähendab, et need mitte ainult ei ole kiirgusest mõjutatud, vaid toimivad usaldusväärselt ka nõudlikes termilistes tingimustes.

Hiljutised arengud on tihedust mitmekordistanud: hüpe 16 MB-lt 64 MB samas vormingusja kuni 1 Gb (32M x 32) 22 nm pMTJ STT-MRAM-tehnoloogiaga. Räägitakse bititiheduse paranemisest suurusjärgus mitu tuhat Mb/mm² võrreldes eelmiste põlvkondadega, mis viitab juba käegakatsutavale skaleerimisele.

Kõrge töökindlusega tootjad ja tarnijad rõhutavad, et järgmiste komponentide kombinatsioon: madal tarbimine, praktiliselt lõpmatu takistusKõrge jõudlus ja skaleeritavus muudavad selle MRAM-i optimaalseks alternatiiviks kaitse-, lennundus-, auto- ja kriitiliste manussüsteemide jaoks, kus volatiilsus lisab täiendava turvakihi elektrikatkestuste või rikete eest.

Olulised võrdlused: MRAM vs. SRAM, DRAM ja Flash

MRAM ühendab endas mitme tehnoloogia voorusi: See ei ole lenduv nagu välk, kiirendab lugemist ja kirjutamist peaaegu SRAM-i tasemele ning pakub DRAM-ile lähedasi tihedusi. Võrreldes DRAM-iga väldib see värskendusi (mis toimuvad DRAM-is umbes tuhandeid kordi sekundis), vähendades jõudeoleku energiatarbimist ja juhtimise keerukust.

Kiiruse osas on juurdepääsud dokumenteeritud järjekorras 2 ns MRAM-is laboris, edestades DRAM-i moodsamate protsessidega. Võrreldes välkmäluga on kirjutamiskiiruse erinevus tohutu: pole vaja 10 V impulsse aeglaste laadimispumpadega ega tsüklilist halvenemist, seega on eluiga palju pikem.

Tüüpilised väärtused: tänase mälukaardi pildistamiseks:

Võrdlev	MRAM	SRAM	DRAM	välklamp
Volatiilsus	Ei	Jah	Jah	Ei
Kiirus	Kõrge	Väga kõrge	Kõrge	Vähe kirjutamist
Tarbimine	madal	Kõrge	Keskmine	Puhkeolekus väga madal

Pange täheleMRAM paistab silma oma kulumiskindluse poolest, taludes miljoneid/miljardeid kirjutamistsükleid ilma märgatava halvenemiseta, mis on tavapärase välkmälu jaoks ületamatu.

STT-MRAM vs. muud mittelenduvad RAM-id: olulised numbrid

MRAM-ide perekonnas on STT-MRAM See pakub mõõdetavaid eeliseid mittelenduvate alternatiivide, näiteks EDASI, NVSRAM või Toggle MRAM. Tüüpilised ajastus, tsükliajad ja säilitusvahemikud on järgmised:

punkt	STT-MRAM	EDASI	NVSRAM	MRAM-i sisse/välja lülitamine
Tüüp	Mitte lenduv	Mitte lenduv	Mitte lenduv	Mitte lenduv
Kirjutamine	Kirjuta üle	Kirjuta üle	Kirjuta üle	Kirjuta üle
Kirjutamise latentsus	~25 ns	~150 ns	~25 ns	~35 ns
R/W tsüklid	~1e13	~1e14	~1e7	~1e13
Säilitamine	> 20 aastat	~10 aastat	~20 aastat	> 20 aastat

Võrreldes EEPROM-i, Flash-i, SRAM-i ja FRAM-iga pakub STT-MRAM kirjutamise ülekirjutamine ja ilma laadimispumpadeta, palju vastupidavam kui EEPROM/välkmälu ning ilma aku vajaduseta nagu teatud varukoopiaga SRAM-idel:

punkt	STT-MRAM	EEPROM	välklamp	SRAM	EDASI
Tüüp	Mitte lenduv	Mitte lenduv	Mitte lenduv	Muutuv	Mitte lenduv
Kirjutamismeetod	Kirjuta üle	Kustuta+Kirjuta	Kustuta+Kirjuta	Kirjuta üle	Kirjuta üle
Tüüpiline kirjutamine	~25 ns	~10 μs	~10 μs	~5 ns	~150 ns
R/W tsüklid	~1e13	~1e6	~1e5	Piiramatu	~1e14
laadimispump	Ei	Jah	Jah	Ei	Ei
Varuaku	Ei	Ei	Ei	Mõnes	Ei

Tehnilised väljakutsed: skaleerimine, voolud ja poolvalimine

Kõik pole täiuslik. MRAM-rakkude tootmine nõuab täpsed nanomeetrilised protsessid ja keerulised pinud. Klassikalistes disainides oli kirjutamiseks vajalik voolutugevus suur ja pooleldi valitud nähtus (naaberrakkude vaheline interferents) piiras miniaturiseerimist umbes 180 nm sõlmedeni; "lülitamisega" variandid tõstsid selle ~90 nm-ni.

DRAM/välkmäluga bitihinna poolest konkureerimiseks peab MRAM kolima väiksematesse sõlmedesse (ajalooliselt 65 nm riba (seadis eesmärgi) ja see on ajendanud esmalt hüpet STT-le ja nüüd SOT-ile raskete kihtidega, näiteks volframiga. SOT-MRAM aitab vähendada voolutugevust, eraldada lugemis- ja kirjutamisradasid ning suurendada kiirust – sama pusle kolm tükki.

Ka majanduslik tegur mängib rolli: hind biti kohta ja kasulik tihedus suurte massiivide pakkimisel. Sellegipoolest on kaubanduslike STT-toodete saabumine ja 300 mm protsesside küpsus märgid sellest, et ökosüsteem liigub õiges suunas.

Vahetu eesmärk on vähendada biti kohta tarbitavat võimsust ilma termilise stabiilsuse varu või TMR-i ohverdamata ja teha seda a standardne CMOS-voog Ühildub juhtsõlmede metallist tagaosaga. Volframkiht ja selle kõrge pöördemomendi efektiivsus on selles ettevõtmises loomulikud liitlased.

Ajajoon ja turu küpsemine

Lugu ulatub kaugele tagasi. Alates ferriitsüdamikuga mälu 50. aastatel, tänu õhukeste kilede magnetoresistorite avastamisele (IBM, 1989) ja koostöölaine algusele (IBM-Infineon, 2000; NVE koos Cypressiga, 2002), on MRAM saavutanud olulisi verstaposte, 2000. aastate keskel valminud 128 KiB ja 1–16 Mibit prototüüpidega 180–150 nm protsessides.

Aastatel 2004–2006 nägime TSMC, NEC, Toshiba ja Renesase näitusi kiiremad prototüübid (kuni 200 Mbit/s 34 ns tsüklite ja 1,8 V juures), rekordilised raku kiirused 2 GHz juures ja MgO tõkete teke, mis parandasid kirjutamisjõudlust. Kuigi mõned ettevõtted loobusid, jäi valdkond ellu ja Freescale turustas sel ajal 4 Mbitisi kiipe.

Selle häirimine STT-MRAM muutis reegleid: Sony esitles esimest SOT-MRAM-i laboriprototüüpi 2005. aastal; ja 2018. aastal teatas Intel MRAM-i masstootmisest, tehes selgeks, et tehnoloogia pole enam pelgalt lubadus. Sellest ajast alates on tähelepanu keskmes olnud SOT-MRAM-i masstootmisse viimine kui teatud SRAM-ide reaalne alternatiiv.

Kasutusalade valik on tohutu: sõjandus ja lennundus, kiipkaardid, mobiiltelefonid, kaamerad, arvutid, tugijaamad, SRAM-i asendamine akuga ja spetsiaalsed mälud "musta kasti" salvestajatele. "Universaalse mälu" nägemus – üks tehnoloogia mitme rolli täitmiseks – pole kaugeleulatuv.

Uued meetodid: multiferroitika ja elektriväli kirjutamiseks

Lisaks SOT-ile on ka häirivaid rinne, mis vaatavad magnetiseerimine elektrivälja abilTeadlased on esitanud heterogeensed multiferroilised struktuurid õhukeste kihtidega – näiteks vanaadiumi integreerimine ferroelektriliste ja piesoelektriliste materjalide vahele –, mis stabiliseerivad magnetiseerimissuundi ja võimaldavad neid elektrivoolu rakendamisel ümber pöörata, vähendades veelgi lülitusenergiat.

Need ettepanekud näitavad investeeringuid stabiilne magnetiline roolisüsteem ilma pideva toiteallikata ja eesmärgiks veelgi pikemaajalisemate ja energiatõhusamate MRAM-ide loomine. Probleemid, näiteks lülitustõhususe halvenemine aja jooksul, vajavad veel lahendamist, kuid potentsiaal suure jõudlusega ja väikese energiatarbega andmetöötluseks on selge.

Paralleelselt on teised tööd näidanud, et a nanomeetriline plaatinakile Magnetkihtide all olev materjal parandab lülitusdünaamikat, toetades ideed, et liideste ja raskete materjalide (W, Ta, Pt) peentöötlus on üks selgemaid kiirendeid järgmise põlvkonna kaubanduslike SOT-toodete väljatöötamisel.

Peamised rakendused: SRAM-ist tehisintellekti, asjade interneti ja pilveni

Kas SOT-MRAM saab SRAM-i asendada? Toores jõudluses on SRAM endiselt domineeriv, kuid SOT-MRAM korvab selle... volatiilsus puudub, energiatõhusam ja mõistlik skaleeritavus. Suurte vahemälude, kiirete NVM-ide või lähimäluarvutuste puhul hakkab tasakaal teatud hierarhia tasemetel SOT-i eelistama.

Autotööstuses näitab MRAM juba eeliseid: väga kiire lugemine, ülimadal energiatarve ja suur tihedus võrreldes eFlash/eSRAM-iga, mis soodustab üleminekut nutikamatele sõidukitele. Mobiiltelefonides ja kantavates seadmetes lihtsustab see disaini, konsolideerides mälu alamsüsteeme, vähendades energiatarbimist ja pikendades aku tööiga, ohverdamata jõudlust.

PC-des ja manussüsteemides võib MRAM toimida kui püsiv vahemälu, asendavad püsivaras NOR/SRAM-i ja aja jooksul jõuavad isegi peaaegu stsenaariumide katmiseni, mis on traditsiooniliselt reserveeritud DRAM-ile või PSRAM-ile, kui absoluutne latentsus pole peamine piirav tegur.

Andmekeskuste ja tehisintellekti jaoks on tehnoloogia lubadus, mis ei kuluta puhkeolekus energiatÜlikiire kirjutamiskiirus ja äärmine vastupidavus tähendavad madalamaid kogukulusid ja väiksemat süsiniku jalajälge. Lisage sellele võimalus töötada ilma abiväljata ja töövõrrand muutub väga atraktiivseks.

Vaadates mitmeid edusamme – väljavabad kallutatud elemendid, volfram/plaatina kihid tõhusa SOT-i jaoks ja multiferroilised lähenemisviisid –, on MRAM võitmas populaarsust suure jõudlusega ja väikese energiatarbega elektroonika nurgakivina. Järgmine samm eesmärk on koondada need tükid konkurentsivõimelise saagikusega tootmissõlmedesse.

Praegune foto kujutab tehnoloogiat, mis pärineb kaubanduslikest STT variantidest lennundus ja manustatud rekordiliselt purustavate SOT-prototüüpideni, sobib ideaalselt tehisintellekti ja asjade interneti tegevuskavaga. Kui biti hind ja skaleerimine jäävad samaks, näeme volframkihiga SOT-MRAM-i ja sellega seotud tehnoloogiaid üha tihedamalt arvutiteaduses, isegi üldotstarbelistes SoC-des.

Kõik viitab kiiruse (0,35 ns) kombinatsioonile, pisike kirjutamisenergia (156 fJ), kõrge termiline stabiilsus (E/kBT~70) ja kõrge TMR (~170%) muudavad selle massilise kasutuselevõtu elujõuliseks, kui tehase ökosüsteem seda toetab 300 mm protsesside ja laitmatu CMOS-ühilduvusega.

Ilma šampanjat enneaegselt lahti korkimata, rada on ette nähtudSTT-MRAM lahendab juba praegu reaalseid probleeme kriitilistel turgudel; volframkihtide ja muu materjalitehnoloogia toel loodud SOT-MRAM pakub vajalikku täiustust, et teatud mälukihtides SRAM-iga konkureerida; ja multiferroilised läbivad läbivad kohad pakuvad lisahüpet biti kohta käiva energiatarbimise edasiseks vähendamiseks. Magnetoresistiivne mälu on kindlustamas end tõsise kandidaadina, et saada tänapäevase andmetöötluse vajalikuks võtmekaardiks.