SOT-MRAM atmiņa ar volframa slāni: likme, kas apvieno ātrumu un efektivitāti

Aparatūras rokasgrāmata » Sastāvdaļas » Glabāšana » SOT-MRAM atmiņa ar volframa slāni: likme, kas apvieno ātrumu un efektivitāti

SOT-MRAM atmiņa ar volframa slāni ir ielavījusies augsta līmeņa debatēs par skaitļošanas nākotni viena skaidra iemesla dēļ: tā sola apvienot neticami ātru darbību, nepastāvību un īpaši zemu enerģijas patēriņu vienā mikroshēmā. Mākslīgā intelekta un lietu interneta laikmetā, kur katrs milivats ir svarīgs, šī magnetorezistīvā tehnoloģija tiecas no jauna definēt gan Augstas veiktspējas operatīvā atmiņa piemēram, nepastāvīga uzglabāšana.

Papildus virsrakstam, kas īsti maina spēli Tie ir konkrēti sasniegumi: šūnas, kas raksta 0,35 nanosekundēs bez palīglauka, rakstīšanas jauda ir tikai 156 fJ un uzlabojumi par 35% salīdzinājumā ar iepriekšējām SOT paaudzēm. Tas viss, vienlaikus saglabājot termisko stabilitāti un Ļoti augsts TMR, galvenās sastāvdaļas MRAM pārnešanai no laboratorijas uz 300 mm rūpnīcu un pēc tam uz klēpjdatoru, mobilo tālruni vai datu centru.

Kas ir SOT-MRAM un kāpēc visi par to runā?

SOT-MRAM (Spin-Orbit Torque MRAM) ir MRAM variants, kas izmanto griešanās orbītas griezes momenti ģenerēts smago metālu slāņos, lai pārslēgtu "brīvā slāņa" magnētisko stāvokli magnētiskā tuneļa savienojumā (MTJ). Atšķirībā no DRAM un SRAM, tam nav nepieciešama atsvaidzināšana; un, salīdzinot ar zibatmiņu, tas raksta ātri, bez augsta sprieguma un ar praktiski neierobežotu izturību.

Tipiskā MTJ pastāv līdzās fiksēts feromagnētisks slānis (atsauce), īpaši plāna izolācijas barjera un brīvs feromagnētisks slānis, kura orientāciju var mainīt. Ja abi slāņi ir izlīdzināti, pretestība ir mazāka; ja tie ir antiparalēli, pretestība palielinās. Šī atšķirība tiek mērīta nolasīšanas laikā, lai kodētu 0/1, nesagraujoši un ļoti ātri.

SOT-MRAM novieto rakstīšanas strāvu plaknē paralēli šūnai, izmantojot spina Hola efektu tādos materiālos kā volframs, tantals vai platīns, lai ievadītu leņķisko momentu brīvajā slānī. Priekšrocība? Ārkārtīgi liels ātrums un mazāks nodilums, kā arī fiziska lasīšanas un rakstīšanas ceļu atdalīšana, kas uzlabo visas sistēmas uzticamību.

Fizika divos triekos: griešanās, MTJ un divi pārslēgšanās ceļi (STT pret SOT)

Elektrona spinu var uzskatīt par nelielu kvantu kompasu, kas norāda "uz augšu" vai "uz leju". Tuneļa magnētiskā pretestība Tas notiek tāpēc, ka elektroni iziet cauri izolācijas barjerai ar dažādu varbūtību atkarībā no abu feromagnētisko slāņu relatīvā novietojuma. Šīs pretestības izmaiņas ir pamats MRAM šūnu nolasīšanai.

STT-MRAM (spin pārneses griezes moments) sistēmā strāva plūst caur MTJ un pārnes griezes griezes momentu, lai pārorientētu brīvo slāni. Tā ir komerciāli visnobriedušākā iespēja., plaši izmanto mikrokontrolleros un iegultās sistēmās. SOT-MRAM strāva plūst caur blakus esošo metāla slāni; spin-Hall efekts ģenerē spinstrāvu, kas pārslēdz brīvo slāni. SOT parasti ir ātrāks un mazāk traucējošs MTJ, un tam ir spoža nākotne kā kandidātam uz SRAM aizstāšanu kešatmiņās.

Ir izpētīti arī papildinoši risinājumi, piemēram, ierīces. multiferoika kur elektriskie lauki palīdz fiksēt vai mainīt magnetizācijas, un “slīpi” dizaini, kas atvieglo rakstīšanu bez ārēja palīglauka nepieciešamības, vienkāršojot ķēdi un uzlabojot efektivitāti.

Tohoku lēciens: 0,35 ns, 156 fJ un rakstīšana bez palīglauka

Tohoku universitātes komanda ir nodemonstrējusi sasvērta SOT-MRAM atmiņa spēj ierakstīt 0,35 nanosekundēs, neizmantojot ārēju magnētisko lauku. Galvenais parametrs ir "slīps" dizains ar 75° leņķi un tā optimizācija, izmantojot mikromagnētisko simulāciju un 300 mm vafeļu procesu, kas ir piemērots rūpnieciskās ražošanas palielināšanai.

Leņķis un leņķa optimizācija brīvā slāņa anizotropija Tas ļāva samazināt rakstīšanas jaudu līdz 156 femtdžouliem, kas ir par 35 % mazāk nekā iepriekšējām salīdzināmām SOT tehnoloģijām, vienlaikus saglabājot E/kBT termiskās stabilitātes koeficientu 70 (stabilitāti pret termiskām svārstībām) un ļoti augstu TMR attiecību (170 %). Citiem vārdiem sakot: maksimālais ātrums, minimāls patēriņš un izturība.

Šie parametri novērš trīs galvenos šķēršļus: veiktspēja, efektivitāte un saderība ar 300 mm ražošanas plūsmu. Tas paver iespējas tā izmantošanai datu centri, mākslīgā intelekta, lietu interneta, viedtālruņu un prasīgu iegulto sistēmu izstrāde, kur nepastāvības un zemas enerģijas kombinācija ir tīrs zelts.

Tas viss saskan ar mērķi, ko pati komanda pauda: pielāgot MRAM sabiedrībai, ko paātrina mākslīgais intelekts un lietu internets, prioritāti piešķirot samazināt rakstīšanas enerģiju neupurējot mūsdienu aparatūras pieprasīto īpaši ātro ātrumu.

Kādu ieguldījumu volframa slānis dod SOT-MRAM?

SOT ierīcēs izšķiroša nozīme ir smago metālu slānim, kas ģenerē griešanās orbītas griezes momentu. Volframs (īpaši tā β fāzē) Tas izceļas ar augsto griešanās Hola leņķi, kas nozīmē lielāku efektivitāti uzlādes strāvas pārveidošanā griešanās strāvā. Vienkāršāk sakot: mazāk enerģijas bita maiņai un ātrāks pārslēgšanās laiks.

Līdztekus volframam, tādi metāli kā tantals vai PlatīnsFaktiski akadēmiskie pētījumi ir parādījuši uzlabojumus, iekļaujot nanometru izmēra platīna slāņus zem magnētiskajiem slāņiem, atvieglojot komutāciju un samazinot enerģijas patēriņu rakstīšanas operāciju laikā. Visos gadījumos ideja ir viena un tā pati: materiāli ar spēcīgu spina-orbītas saikni, kas efektīvi injicē spinu brīvajā slānī.

Smago metālu izvēle ietekmē kritiskos parametrus: rakstīšanas straume (un līdz ar to jaudu), ātrdarbīgu uzticamību, saderību ar MTJ sakraušanu un CMOS procesa BEOL. Volframs izceļas ar savu SOT efektivitāti, taču nozare novērtē arī tā integrāciju progresīvos procesos, kas ir svarīgi, apsverot vismodernākos mezglus.

Ir vērts atzīmēt, ka Tohoku sasniegumi slīpo šūnu jomā koncentrējas uz arhitektūru un anizotropijas inženierija, savukārt citas līnijas, piemēram, tās, kuru pamatā ir platīna folija vai multiferoiskas pieejas, pēta savstarpēji papildinošus ceļus. Viss veicina kopīgu mērķi: mazāk enerģijas uz bitu, lielāks ātrums un procesi, kas ir saderīgi ar masveida ražošanu.

MRAM un STT-MRAM mūsdienās: reālās pasaules produkti, starojums un ekstremāla vide

SOT-MRAM precīzi noregulējot savu liela mēroga lēcienu, STT-MRAM tagad ir tirgūIr pieejamas 64 Mb un 1 Gb ierīces, kas paredzētas kosmosa un aviācijas lietojumprogrammām ar hermētiskiem keramikas korpusiem (CLGA/CBGA) un RAD-HARD, RAD-Tolerant un nepastiprinātiem variantiem. Šīs atmiņas piedāvā patiesi nejaušu lasīšanas un rakstīšanas piekļuvi, augstu izturību pret magnētisko plūsmu (samazinātas ekranēšanas prasības) un lielisku jaudas profilu.

Skarbā vidē šīs sastāvdaļas garantē datu glabāšana ilgāk par 10 gadiem no -40 līdz +125 °C, ar tipisku spriegumu no 2,7 līdz 3,6 V un minimālo piekļuves laiku aptuveni 45 ns militārajā diapazonā. Tas nozīmē, ka tos ne tikai neietekmē starojums, bet tie arī uzticami darbojas sarežģītos termiskos apstākļos.

Jaunākās norises ir vairākkārt palielinājušas blīvumu: lēcienu no 16 MB līdz 64 MB tajā pašā formātāun līdz 1 Gb (32M x 32) ar 22 nm pMTJ STT-MRAM tehnoloģiju. Tiek runāts par bitu blīvuma uzlabojumiem vairāku tūkstošu Mb/mm² apmērā salīdzinājumā ar iepriekšējām paaudzēm, kas norāda uz jau esošu mērogošanas ceļu.

Augstas uzticamības ražotāji un piegādātāji uzsver, ka šādu elementu kombinācija: zems patēriņš, praktiski bezgalīga pretestībaAugsta veiktspēja un mērogojamība padara šo MRAM par optimālu alternatīvu aizsardzības, kosmosa, autobūves un kritiski svarīgās iegultās sistēmās, kur nepastāvība nodrošina papildu drošības slāni pret strāvas padeves pārtraukumiem vai kļūmēm.

Būtiskākie salīdzinājumi: MRAM pret SRAM, DRAM un Flash

MRAM apvieno vairāku tehnoloģiju priekšrocības: Tas nav gaistošs kā zibspuldze, paātrina lasīšanu un rakstīšanu gandrīz līdz SRAM līmenim un piedāvā blīvumu, kas ir tuvāks DRAM. Salīdzinot ar DRAM, tas ļauj izvairīties no atsvaidzināšanas (kas DRAM notiek aptuveni tūkstošiem reižu sekundē), samazinot enerģijas patēriņu dīkstāves režīmā un vadības sarežģītību.

Runājot par ātrumu, piekļuves ir dokumentētas šādā secībā: 2 ns MRAM atmiņā laboratorija, pārspējot DRAM ar modernākiem procesiem. Salīdzinot ar zibatmiņu, rakstīšanas ātruma atšķirība ir milzīga: nav nepieciešami 10 V impulsi ar lēniem uzlādes sūkņiem vai cikla degradācija, tāpēc kalpošanas laiks ir daudz ilgāks.

Tipiskas vērtības: lai šodien nofotografētu atmiņas karti:

Salīdzinošs	MRAM	SRAM	DRAM	Zibspuldze
Nepastāvība	Nē	Jā	Jā	Nē
Ātrums	Alta	Ļoti augstu	Alta	Zems rakstīšanas līmenis
Patēriņš	Bajo	Augsts	Vidējs	Ļoti zems miera stāvoklī

AtzīmētMRAM izceļas ar savu nodilumizturību, izturot miljoniem/miljardiem rakstīšanas ciklu bez ievērojamas degradācijas, kas pārsniedz parastās zibatmiņas iespējas.

STT-MRAM salīdzinājumā ar citām nepastāvīgajām operatīvajām atmiņām: svarīgie skaitļi

MRAM saimē STT-MRAM Tas sniedz izmērāmas priekšrocības salīdzinājumā ar nepastāvīgām alternatīvām, piemēram, UZ PRIEKŠU, NVSRAM vai Toggle MRAM. Tipiski laika, cikla laiki un saglabāšanas diapazoni ir šādi:

Punkts	STT-MRAM	UZ PRIEKŠU	NVSRAM	Pārslēgt MRAM
Tips	Nav gaistošs	Nav gaistošs	Nav gaistošs	Nav gaistošs
Rakstīšana	Pārrakstīt	Pārrakstīt	Pārrakstīt	Pārrakstīt
Rakstīšanas latentums	~25 ns	~150 ns	~25 ns	~35 ns
R/W cikli	~13. g. 1. e.	~14. g. 1. e.	~7. g. 1. e.	~13. g. 1. e.
Saglabāšana	> 20 gadi	~10 gadi	~20 gadi	> 20 gadi

Salīdzinot ar EEPROM, Flash, SRAM un FRAM, STT-MRAM piedāvā pārrakstīt rakstīšanu un bez uzlādes sūkņiem, ar daudz lielāku izturību nekā EEPROM/zibatmiņa, un bez nepieciešamības pēc akumulatora, kā tas ir ar noteiktām SRAM atmiņām ar rezerves kopiju:

Punkts	STT-MRAM	EEPROM	Zibspuldze	SRAM	UZ PRIEKŠU
Tips	Nav gaistošs	Nav gaistošs	Nav gaistošs	Nepastāvīgs	Nav gaistošs
Rakstīšanas metode	Pārrakstīt	Dzēst+rakstīt	Dzēst+rakstīt	Pārrakstīt	Pārrakstīt
Tipiska rakstīšana	~25 ns	~10 μs	~10 μs	~5 ns	~150 ns
R/W cikli	~13. g. 1. e.	~6. g. 1. e.	~5. g. 1. e.	Neierobežots	~14. g. 1. e.
uzlādes sūknis	Nē	Jā	Jā	Nē	Nē
Rezerves akumulators	Nē	Nē	Nē	Dažos	Nē

Tehniskas problēmas: mērogošana, strāvas un daļēja atlase

Ne viss ir perfekts. MRAM šūnu ražošanai ir nepieciešams precīzi nanometriskie procesi un sarežģīti steki. Klasiskajos dizainos rakstīšanai nepieciešamā strāva bija augsta, un pusatlases fenomens (traucējumi starp blakus esošajām šūnām) ierobežoja miniaturizāciju līdz mezgliem aptuveni 180 nm; varianti ar "pārslēgšanu" palielināja to līdz ~90 nm.

Lai konkurētu ar DRAM/zibatmiņas atmiņas izmaksām par bitu, MRAM ir jāpārvietojas uz mazākiem mezgliem (vēsturiski 65 nm josla (noteikt mērķi), un tas ir motivējis vispirms pāriet uz STT un tagad uz SOT ar smagiem slāņiem, piemēram, volframu. SOT-MRAM palīdz samazināt strāvu, atdalīt lasīšanas/rakstīšanas ceļus un palielināt ātrumu — trīs vienas un tās pašas puzles daļas.

Svarīgs faktors ir arī ekonomiskais faktors: izmaksas par bitu un lietderīgo blīvumu, iepakojot lielus masīvus. Tomēr komerciālu STT produktu ienākšana un 300 mm procesu briedums liecina, ka ekosistēma virzās pareizajā virzienā.

Tiešais mērķis ir samazināt jaudu uz bitu, nezaudējot termiskās stabilitātes rezervi vai TMR, un to izdarīt a standarta CMOS plūsma Savietojams ar vadošo mezglu metāla aizmugurējo daļu. Volframa slānis un tā augstā griezes momenta efektivitāte ir dabisks sabiedrotais šajā centienā.

Laika grafiks un tirgus nobriešana

Stāsts sniedzas tālu pagātnē. No ferīta serdes atmiņa 50. gs. piecdesmitajos gados, atklājot magnetorezistorus plānās plēvēs (IBM, 1989) un sadarbības vilni (IBM-Infineon, 2000; NVE ar Cypress, 2002), MRAM ir sasniegusi ievērojamus panākumus, 2000. gadu vidū izlaižot 128 KiB un 1–16 Mibit prototipus 180–150 nm procesos.

2004.–2006. gadā mēs redzējām TSMC, NEC, Toshiba un Renesas šovu. ātrāki prototipi (līdz 200 Mbit/s ar 34 ns cikliem un 1,8 V), rekordliels šūnu ātrums pie 2 GHz un MgO barjeru parādīšanās, kas uzlaboja rakstīšanas veiktspēju. Lai gan daži uzņēmumi izstājās, šī joma palika dzīva, un Freescale tolaik tirgoja 4 Mbit mikroshēmas.

Pārtraukums STT-MRAM mainīja noteikumus: Sony 2005. gadā demonstrēja pirmo SOT-MRAM laboratorijas prototipu; un 2018. gadā Intel paziņoja par MRAM masveida ražošanu, skaidri norādot, ka šī tehnoloģija vairs nav tikai solījums. Kopš tā laika uzmanības centrā ir bijusi SOT-MRAM ieviešana masveida ražošanā kā reāla alternatīva noteiktām SRAM atmiņām.

Lietojuma ziņā klāsts ir milzīgs: militārā un kosmosa joma, viedkartes, mobilie tālruņi, kameras, datori, bāzes stacijas, SRAM nomaiņa ar akumulatoru un īpašas atmiņas "melnās kastes" ierakstītājiem. "Universālas atmiņas" vīzija — vienota tehnoloģija, kas aptver vairākas lomas — nav tāla.

Jauni ceļi: multiferoika un elektriskais lauks rakstīšanai

Papildus SOT pastāv arī graujošas frontes, kas raugās uz magnetizācija ar elektrisko laukuPētnieki ir prezentējuši heterogēnas daudzferoiskas struktūras ar plāniem slāņiem, piemēram, integrējot vanādiju starp feroelektriskiem un pjezoelektriskiem materiāliem, kas stabilizē magnetizācijas virzienus un ļauj tos mainīt, pieliekot elektrisko strāvu, vēl vairāk samazinot komutācijas enerģiju.

Šie priekšlikumi apliecina ieguldījumus stabila magnētiskā stūrēšana bez nepārtrauktas barošanas avota un tiekties uz vēl ilgāk kalpojošām un energoefektīvām MRAM atmiņām. Joprojām ir jāatrisina problēmas, piemēram, komutācijas efektivitātes pasliktināšanās laika gaitā, taču potenciāls augstas veiktspējas, mazjaudas skaitļošanai ir skaidrs.

Paralēli citi darbi ir parādījuši, ka, iekļaujot nanometriskā platīna plēve zem magnētiskajiem slāņiem uzlabo komutācijas dinamiku, atbalstot ideju, ka saskarņu un smago materiālu (W, Ta, Pt) smalkā inženierija ir viens no skaidrākajiem paātrinātājiem nākamās paaudzes komerciālo SOT produktu izstrādei.

Galvenie pielietojumi: no SRAM līdz mākslīgajam intelektam, lietu internetam un mākonim

Vai SOT-MRAM var aizstāt SRAM? Neapstrādātā veiktspējā SRAM joprojām dominē, taču SOT-MRAM to kompensē ar nav svārstīguma, zemāka enerģija un saprātīga mērogojamība. Lielām kešatmiņām, ātrdarbīgām NVM vai gandrīz atmiņas skaitļošanas sistēmām līdzsvars sāk dot priekšroku SOT noteiktos hierarhijas līmeņos.

Automobiļu rūpniecībā MRAM jau demonstrē priekšrocības: ļoti ātra lasīšana, īpaši zems enerģijas patēriņš un augsts blīvums salīdzinājumā ar eFlash/eSRAM, veicinot pāreju uz viedākiem transportlīdzekļiem. Mobilajos tālruņos un valkājamās ierīcēs tas vienkāršo dizainu, konsolidējot atmiņas apakšsistēmas, samazinot enerģijas patēriņu un pagarinot akumulatora darbības laiku, nezaudējot veiktspēju.

Datoros un iegultajās sistēmās MRAM var darboties kā nepastāvīga kešatmiņa, aizstāt NOR/SRAM programmaparatūrā un laika gaitā pat pietuvoties scenārijiem, kas tradicionāli bija paredzēti DRAM vai PSRAM, kad absolūtā latentuma nav galvenais ierobežojošais faktors.

Datu centriem un mākslīgajam intelektam solījums par tehnoloģiju, kas nepatērē enerģiju miera stāvoklīPateicoties īpaši ātrai rakstīšanai un ārkārtējai izturībai, tas nozīmē zemākas kopējās uzturēšanas izmaksas (TCO) un samazinātu oglekļa pēdas nospiedumu. Pievienojiet tam iespēju darboties bez palīglauka, un darbības vienādojums kļūst ļoti pievilcīgs.

Aplūkojot virkni sasniegumu — bez lauka slīpām šūnām, volframa/platīna slāņiem efektīvai SOT un daudzferoiskām pieejām —, MRAM kļūst par augstas veiktspējas, mazjaudas elektronikas stūrakmeni. Nākamais solis ir apvienot šīs daļas ražošanas mezglos ar konkurētspējīgu ražu.

Pašreizējā fotogrāfija ir par tehnoloģiju, kas, sākot no komerciāliem STT variantiem kosmosa un iegultās tehnoloģijas līdz rekordlieliem SOT prototipiem, lieliski atbilst mākslīgā intelekta un lietu interneta (MI) plānam. Ja izmaksas par bitu un mērogošana saglabāsies, mēs redzēsim volframa slāņa SOT-MRAM un saistītās tehnoloģijas, kas arvien ciešāk integrētas skaitļošanā, pat vispārējas nozīmes SoC ietvaros.

Viss norāda uz ātruma (0,35 ns) kombināciju, niecīga rakstīšanas enerģija (156 fJ), augsta termiskā stabilitāte (E/kBT~70) un augsts TMR (~170%) padarīs tā masveida ieviešanu dzīvotspējīgu, ja vien ražošanas ekosistēma to atbalsta ar 300 mm procesiem un nevainojamu CMOS saderību.

Neatverot šampanieti pirms laika, ceļš ir izklātsSTT-MRAM jau atrisina reālas problēmas kritiski svarīgos tirgos; SOT-MRAM, ko atbalsta volframa slāņi un cita materiālu inženierija, nodrošina nepieciešamo uzlabojumu, lai konkurētu ar SRAM noteiktos atmiņas slāņos; un daudzferoiskie caurumi piedāvā papildu trumpi, lai vēl vairāk samazinātu jaudu uz bitu. Magnetoresistīvā atmiņa nostiprinās kā nopietns kandidāts, lai kļūtu par mūsdienu skaitļošanas tehnoloģiju nepieciešamo aizstājēju.