Memori SOT-MRAM dengan lapisan tungsten: pertaruhan yang menyatukan kelajuan dan kecekapan

Panduan Perkakasan » Komponen » penyimpanan » Memori SOT-MRAM dengan lapisan tungsten: pertaruhan yang menyatukan kelajuan dan kecekapan

Memori SOT-MRAM dengan lapisan tungsten telah menyelinap ke dalam perdebatan peringkat tinggi tentang masa depan pengkomputeran untuk satu sebab yang jelas: ia menjanjikan untuk menyatukan kelajuan yang sangat pantas, tidak turun naik dan penggunaan kuasa ultra rendah pada cip yang sama. Dalam era AI dan IoT, di mana setiap milliwatt dikira, teknologi magnetoresistif ini bertujuan untuk mentakrifkan semula kedua-dua RAM berprestasi tinggi seperti storan tidak meruap.

Di luar tajuk utama, apa yang sebenarnya mengubah permainan Ini adalah kemajuan konkrit: sel yang menulis dalam 0,35 nanosaat tanpa medan tambahan, kuasa menulis hanya 156 fJ dan peningkatan sebanyak 35% berbanding generasi sebelumnya SOT. Semua ini sambil mengekalkan kestabilan haba dan a TMR yang sangat tinggi, bahan utama untuk membawa MRAM dari makmal ke kilang 300mm dan kemudian ke komputer riba, telefon mudah alih atau pusat data.

Apakah SOT-MRAM dan mengapa semua orang bercakap mengenainya?

SOT-MRAM (Spin-Orbit Torque MRAM) ialah varian MRAM yang menggunakan tork spin-orbit dijana dalam lapisan logam berat untuk menukar keadaan magnet "lapisan bebas" dalam persimpangan terowong magnetik (MTJ). Tidak seperti DRAM dan SRAM, ia tidak memerlukan penyegaran; dan berbanding dengan kilat, ia menulis dengan cepat, tanpa voltan tinggi, dan dengan ketahanan yang hampir tidak terhad.

Dalam MTJ biasa wujud bersama lapisan feromagnetik tetap (rujukan), penghalang penebat ultranipis, dan lapisan feromagnetik bebas yang orientasinya boleh diubah. Jika kedua-dua lapisan sejajar, rintangan adalah lebih rendah; jika ia adalah antiselari, rintangan meningkat. Perbezaan ini diukur semasa membaca untuk mengekod 0/1, tidak merosakkan dan sangat cepat.

SOT-MRAM meletakkan arus tulis dalam satah selari dengan sel, menggunakan kesan Dewan putaran dalam bahan seperti tungsten, tantalum atau platinum untuk menyuntik momentum sudut ke dalam lapisan bebas. Kelebihannya? Kelajuan yang sangat tinggi dan kurang haus, di samping mengasingkan laluan baca dan tulis secara fizikal, yang meningkatkan kebolehpercayaan keseluruhan sistem.

Fizik dalam dua lejang: putaran, MTJ dan dua laluan bertukar (STT vs SOT)

Putaran elektron boleh dianggap sebagai kompas kuantum kecil yang menunjukkan "atas" atau "bawah." Rintangan magnet terowong Ini berlaku kerana elektron melalui penghalang penebat dengan kebarangkalian yang berbeza-beza bergantung pada penjajaran relatif kedua-dua lapisan feromagnetik. Variasi rintangan ini adalah asas untuk membaca sel MRAM.

Dalam STT-MRAM (Spin Transfer Torque), arus mengalir melalui MTJ dan memindahkan tork putaran untuk mengorientasikan semula lapisan bebas. Ia adalah pilihan yang paling matang secara komersial, digunakan secara meluas dalam mikropengawal dan sistem terbenam. Dalam SOT-MRAM, arus mengalir melalui lapisan logam bersebelahan; kesan spin-Hall menjana arus putaran yang menukar lapisan bebas. SOT secara amnya lebih pantas dan kurang mengganggu dalam MTJ, dengan masa depan yang cerah sebagai calon untuk menggantikan SRAM dalam cache.

Penyelesaian pelengkap seperti peranti juga telah diterokai. multiferroik di mana medan elektrik membantu untuk menetapkan atau membalikkan kemagnetan, dan reka bentuk "canted" yang memudahkan penulisan tanpa memerlukan medan tambahan luaran, memudahkan litar dan meningkatkan kecekapan.

Tohoku jump: 0,35 ns, 156 fJ dan tulisan tanpa medan bantu

Pasukan dari Universiti Tohoku telah menunjukkan demonstrasi SOT-MRAM yang condong mampu menulis dalam 0,35 nanosaat tanpa menggunakan medan magnet luaran. Kuncinya terletak pada reka bentuk "canted" dengan sudut 75° dan pengoptimumannya melalui simulasi mikromagnet dan proses wafer 300 mm, sesuai untuk skala sehingga pembuatan industri.

Pengoptimuman sudut dan sudut anisotropi lapisan bebas Ini telah membolehkan kuasa tulis dikurangkan kepada 156 femtojoule, 35% kurang daripada setanding teknologi SOT sebelumnya, sambil mengekalkan faktor kestabilan terma E/kBT sebanyak 70 (kestabilan terhadap turun naik terma) dan nisbah TMR yang sangat tinggi (170%). Dalam erti kata lain: kelajuan tertinggi, penggunaan minimum dan keteguhan.

Parameter ini membersihkan tiga halangan utama: prestasi, kecekapan dan keserasian dengan aliran pembuatan 300 mm. Ini membuka pintu kepada penggunaannya dalam pusat data, pembangunan AI, IoT, telefon pintar dan sistem terbenam yang menuntut, di mana gabungan tidak turun naik dan tenaga rendah adalah emas tulen.

Semua ini sejajar dengan matlamat yang dinyatakan oleh pasukan itu sendiri: untuk menyesuaikan MRAM kepada masyarakat yang dipercepatkan oleh AI dan Internet Perkara, mengutamakan mengurangkan tenaga menulis tanpa mengorbankan kelajuan ultra pantas yang diminta oleh perkakasan hari ini.

Apakah sumbangan lapisan tungsten kepada SOT-MRAM?

Dalam peranti SOT, lapisan logam berat yang menjana tork orbit putaran adalah penting. Tungsten (terutamanya dalam fasa β) Ia menonjol kerana sudut Hall putaran tinggi, yang diterjemahkan kepada kecekapan yang lebih besar dalam menukar arus cas kepada arus putaran. Dalam bahasa Inggeris biasa: kurang tenaga untuk menukar bit dan masa penukaran yang lebih cepat.

Bersama-sama dengan tungsten, logam seperti tantalum atau platinumMalah, penyelidikan akademik telah menunjukkan peningkatan dengan menggabungkan lapisan platinum bersaiz nanometer di bawah lapisan magnet, memudahkan penukaran dan mengurangkan penggunaan kuasa semasa operasi tulis. Dalam semua kes, ideanya adalah sama: bahan dengan gandingan spin-orbit yang kuat yang menyuntik putaran dengan cekap ke dalam lapisan bebas.

Pilihan logam berat memberi kesan kepada parameter kritikal: aliran penulisan (dan oleh itu kuasa), kebolehpercayaan berkelajuan tinggi, keserasian dengan susunan MTJ dan BEOL proses CMOS. Tungsten bersinar untuk kecekapan SOTnya, tetapi industri juga menghargai integrasinya ke dalam proses lanjutan, yang penting apabila mempertimbangkan nod canggih.

Perlu diingat bahawa kemajuan Tohoku dalam sel condong memberi tumpuan kepada seni bina dan kejuruteraan anisotropi, manakala garisan lain, seperti yang berasaskan kerajang platinum atau pendekatan multiferroik, sedang meneroka laluan pelengkap. Semuanya menyumbang kepada matlamat yang sama: kurang tenaga setiap bit, lebih kelajuan dan proses yang serasi dengan pengeluaran besar-besaran.

MRAM dan STT-MRAM Hari Ini: Produk Dunia Sebenar, Sinaran dan Persekitaran Melampau

SOT-MRAM memperhalusi lompatan berskala besarnya, STT-MRAM kini berada di pasaranTerdapat peranti 64 Mb dan 1 Gb yang disasarkan pada aplikasi aeroangkasa dan angkasa dengan pakej seramik hermetik (CLGA/CBGA) dan varian RAD-HARD, RAD-Tolerant dan tidak mengeras. Kenangan ini menawarkan akses baca dan tulis yang benar-benar rawak, rintangan yang tinggi terhadap fluks magnet (keperluan perisai yang dikurangkan), dan profil kuasa yang sangat baik.

Dalam persekitaran yang keras, komponen ini menjamin pengekalan data lebih daripada 10 tahun antara -40 dan +125°C, dengan voltan tipikal 2,7 hingga 3,6 V dan masa akses minimum sekitar 45 ns dalam julat tentera. Ini bermakna mereka bukan sahaja tidak terjejas oleh sinaran, tetapi juga berfungsi dengan pasti di bawah keadaan terma yang menuntut.

Perkembangan terkini telah melipatgandakan kepadatan: lonjakan daripada 16 Mb kepada 64 Mb dalam format yang sama, dan sehingga 1 Gb (32M x 32) dengan teknologi 22 nm pMTJ STT-MRAM. Terdapat perbincangan tentang penambahbaikan dalam ketumpatan bit pada susunan beberapa ribu Mb/mm² berbanding generasi sebelumnya, menunjukkan laluan penskalaan yang sudah nyata.

Pengeluar dan pembekal kebolehpercayaan tinggi menyerlahkan bahawa gabungan penggunaan rendah, rintangan hampir tidak terhingga, prestasi tinggi dan kebolehskalaan menjadikan MRAM ini sebagai alternatif optimum dalam sistem pertahanan, aeroangkasa, automotif dan kritikal, di mana ketidaktentuan menambah lapisan keselamatan tambahan terhadap pemadaman atau kegagalan.

Perbandingan Penting: MRAM lwn. SRAM, DRAM dan Flash

MRAM menggabungkan kebaikan beberapa teknologi: Ia tidak meruap seperti kilat, mempercepatkan membaca dan menulis hampir ke tahap SRAM dan menawarkan kepadatan lebih dekat dengan DRAM. Berbanding dengan DRAM, ia mengelakkan penyegaran (yang berlaku sekitar beribu-ribu kali sesaat dalam DRAM), mengurangkan penggunaan kuasa terbiar dan kerumitan kawalan.

Dari segi kelajuan, akses telah didokumenkan mengikut urutan 2 ns dalam MRAM makmal, mengatasi DRAM dengan proses yang lebih moden. Berbanding dengan denyar, perbezaan dalam kelajuan tulis adalah besar: tidak memerlukan denyutan 10 V dengan pam cas perlahan atau degradasi kitaran, jadi jangka hayat lebih lama.

Nilai biasa: untuk mengambil gambar peta ingatan hari ini:

Perbandingan	MRAM	SRAM	DRAM	flash
Turun naik	Tidak	Ya	Ya	Tidak
Kelajuan	Tinggi	Sangat tinggi	Tinggi	Rendah dalam penulisan
Penggunaan	Bajo	tinggi	Separuh	Sangat rendah semasa rehat

Nota: MRAM menyerlah kerana rintangan hausnya, mengekalkan berjuta-juta/berbilion kitaran tulis tanpa kemerosotan yang ketara, sesuatu yang di luar jangkauan denyar konvensional.

STT-MRAM lwn. RAM Tidak Meruap Lain: Nombor Yang Penting

Dalam keluarga MRAM, the STT-MRAM Ia membentangkan kelebihan yang boleh diukur berbanding alternatif yang tidak menentu seperti KE HADAPAN, NVSRAM atau Togol MRAM. Masa biasa, masa kitaran dan julat pengekalan adalah seperti berikut:

Point	STT-MRAM	KE HADAPAN	NVSRAM	Togol MRAM
Jenis	Tidak meruap	Tidak meruap	Tidak meruap	Tidak meruap
Menulis	Menimpa	Menimpa	Menimpa	Menimpa
Tulis kependaman	~25 ns	~150 ns	~25 ns	~35 ns
Kitaran R/W	~1e13	~1e14	~1e7	~1e13
Pengekalan	> 20 tahun	~10 tahun	~20 tahun	> 20 tahun

Berbanding dengan EEPROM, Flash, SRAM dan FRAM, tawaran STT-MRAM menulis ganti dan pam tanpa cas, dengan ketahanan yang lebih tinggi daripada EEPROM/flash, dan tanpa memerlukan bateri seperti SRAM tertentu dengan sandaran:

Point	STT-MRAM	EEPROM	flash	SRAM	KE HADAPAN
Jenis	Tidak meruap	Tidak meruap	Tidak meruap	Tidak menentu	Tidak meruap
Kaedah penulisan	Menimpa	Padam+Tulis	Padam+Tulis	Menimpa	Menimpa
Tulisan tipikal	~25 ns	~10 μs	~10 μs	~5 ns	~150 ns
Kitaran R/W	~1e13	~1e6	~1e5	Tidak terhad	~1e14
mengecas pam	Tidak	Ya	Ya	Tidak	Tidak
Bateri sandaran	Tidak	Tidak	Tidak	Dalam sesetengahnya	Tidak

Cabaran teknikal: penskalaan, arus dan separuh pilih

Tidak semuanya sempurna. Pengilangan sel MRAM memerlukan proses nanometrik yang tepat dan susunan kompleks. Dalam reka bentuk klasik, arus yang diperlukan untuk menulis adalah tinggi, dan fenomena separuh pilih (gangguan antara sel jiran) mengehadkan pengecilan kepada nod sekitar 180 nm; varian dengan "menogol" menolaknya kepada ~90 nm.

Untuk bersaing pada kos setiap bit dengan DRAM/denyar, MRAM mesti beralih ke nod yang lebih kecil (secara sejarah, bar 65 nm menetapkan sasaran), dan itu telah mendorong lompatan ke STT dahulu dan, sekarang, ke SOT dengan lapisan berat seperti tungsten. SOT-MRAM membantu mengurangkan arus, memisahkan laluan R/W dan mendapatkan kelajuan, tiga keping teka-teki yang sama.

Faktor ekonomi juga mempengaruhi: kos setiap bit dan ketumpatan berguna apabila membungkus tatasusunan yang besar. Namun, kedatangan produk STT komersial dan proses kematangan 300 mm adalah petanda bahawa ekosistem bergerak ke arah yang betul.

Matlamat segera adalah untuk menurunkan kuasa setiap bit tanpa mengorbankan margin kestabilan terma atau TMR, dan untuk melakukannya dalam aliran CMOS standard Serasi dengan bahagian belakang logam nod terkemuka. Lapisan tungsten dan kecekapan tork yang tinggi adalah sekutu semula jadi dalam usaha ini.

Garis masa dan kematangan pasaran

Kisahnya kembali jauh. daripada ingatan teras ferit Pada tahun 1950-an, melalui penemuan magnetoresistor dalam filem nipis (IBM, 1989) dan gelombang kerjasama (IBM-Infineon, 2000; NVE dengan Cypress, 2002), MRAM telah mendaki pencapaian dengan prototaip 128 KiB dan 1–16 Mibit pada pertengahan 15020 nm proses.

Pada 2004–2006 kami menyaksikan rancangan TSMC, NEC, Toshiba dan Renesas prototaip yang lebih pantas (sehingga 200 Mbit/s dengan kitaran 34 ns dan 1,8 V), kelajuan sel pemecah rekod pada 2 GHz, dan kemunculan halangan MgO yang meningkatkan prestasi tulis. Walaupun beberapa syarikat menarik diri, bidang itu tetap hidup, dengan Freescale memasarkan cip 4 Mbit pada masa itu.

Gangguan daripada STT-MRAM menukar peraturan: Sony mempamerkan prototaip makmal SOT-MRAM pertama pada tahun 2005; dan pada 2018, Intel mengumumkan pengeluaran volum MRAM, menjelaskan bahawa teknologi itu bukan lagi sekadar janji. Sejak itu, tumpuan adalah untuk membawa SOT-MRAM kepada pengeluaran besar-besaran sebagai alternatif sebenar kepada SRAM tertentu.

Dari segi kegunaan, julatnya sangat besar: tentera dan aeroangkasa, kad pintar, telefon bimbit, kamera, PC, stesen pangkalan, Penggantian SRAM dengan bateri dan kenangan istimewa untuk perakam "kotak hitam". Visi "ingatan sejagat"—sebuah teknologi untuk merangkumi pelbagai peranan—tidak terlalu mengada-ada.

Laluan baharu: multiferroik dan medan elektrik untuk menulis

Selain SOT, terdapat bahagian yang mengganggu yang melihat ke kemagnetan oleh medan elektrikPenyelidik telah membentangkan struktur multiferroik heterogen dengan lapisan nipis—contohnya, menyepadukan vanadium antara bahan ferroelektrik dan piezoelektrik—yang menstabilkan arah kemagnetan dan membolehkannya diterbalikkan dengan menggunakan arus elektrik, seterusnya mengurangkan tenaga pensuisan.

Cadangan ini menunjukkan pelaburan dalam stereng magnet yang stabil tanpa bekalan kuasa berterusan dan bertujuan untuk MRAM yang lebih tahan lama dan cekap tenaga. Isu masih perlu diselesaikan, seperti kemerosotan kecekapan pensuisan dari semasa ke semasa, tetapi potensi untuk pengkomputeran berprestasi tinggi dan berkuasa rendah adalah jelas.

Secara selari, kerja-kerja lain telah menunjukkan bahawa menggabungkan a filem platinum nanometrik di bawah lapisan magnet meningkatkan dinamik pensuisan, menyokong idea bahawa kejuruteraan halus antara muka dan bahan berat (W, Ta, Pt) adalah salah satu pemecut paling jelas ke arah produk SOT komersial generasi akan datang.

Aplikasi Utama: Daripada SRAM kepada AI, IoT dan Cloud

Bolehkah SOT-MRAM menggantikan SRAM? Dalam prestasi mentah, SRAM masih memerintah; tetapi SOT-MRAM menebusnya dengan tiada turun naik, tenaga yang lebih rendah dan skalabiliti yang munasabah. Untuk cache besar, NVM berkelajuan tinggi atau pengkomputeran memori hampir, baki mula memihak kepada SOT pada tahap hierarki tertentu.

Dalam industri automotif, MRAM sudah menunjukkan kelebihan: bacaan yang sangat pantas, penggunaan kuasa ultra-rendah dan ketumpatan tinggi berbanding eFlash/eSRAM, memacu peralihan kepada kenderaan yang lebih pintar. Dalam telefon mudah alih dan boleh pakai, ia memudahkan reka bentuk dengan menyatukan subsistem memori, mengurangkan penggunaan kuasa dan memanjangkan hayat bateri tanpa mengorbankan prestasi.

Dalam PC dan sistem terbenam, MRAM boleh bertindak sebagai cache tidak meruap, gantikan NOR/SRAM dalam perisian tegar dan, dari semasa ke semasa, malah hampir meliputi senario yang biasanya dikhaskan untuk DRAM atau PSRAM apabila kependaman mutlak bukan faktor pengehad nombor satu.

Untuk pusat data dan AI, janji teknologi yang tidak menggunakan tenaga semasa rehatDengan tulisan yang sangat pantas dan ketahanan yang melampau, ini diterjemahkan kepada TCO yang lebih rendah dan jejak karbon yang berkurangan. Tambah dalam keupayaan untuk beroperasi tanpa medan tambahan, dan persamaan operasi menjadi sangat menarik.

Melihat kepada pelbagai kemajuan—sel senget bebas medan, lapisan tungsten/platinum untuk SOT yang cekap dan pendekatan multiferroik—MRAM semakin mendapat tempat sebagai asas bagi elektronik berprestasi tinggi dan berkuasa rendah. Langkah seterusnya adalah untuk menyatukan kepingan ini dalam nod pengeluaran dengan hasil yang kompetitif.

Gambar semasa adalah teknologi yang, daripada varian STT komersial masuk aeroangkasa dan terbenam kepada prototaip SOT yang memecahkan rekod, sesuai dengan sempurna dengan peta jalan AI dan IoT. Jika kos setiap bit dan penskalaan ditahan, kita akan melihat SOT-MRAM lapisan tungsten dan teknologi berkaitan disepadukan lebih dekat dengan pengkomputeran, walaupun dalam SoC tujuan umum.

Semuanya menunjukkan gabungan kelajuan (0,35 ns), tenaga menulis kecil (156 fJ), kestabilan terma yang tinggi (E/kBT~70) dan TMR yang tinggi (~170%) akan menjadikan penggunaan jisimnya berdaya maju, selagi ekosistem fab menyokongnya dengan proses 300 mm dan keserasian CMOS yang sempurna.

Tanpa membuka sumbat champagne sebelum waktunya, laluan itu dibentangkanSTT-MRAM sudah menyelesaikan masalah sebenar dalam pasaran kritikal; SOT-MRAM, disokong oleh lapisan tungsten dan kejuruteraan bahan lain, menyediakan penghalusan yang diperlukan untuk bersaing dengan SRAM dalam lapisan ingatan tertentu; dan vias multiferroik menawarkan kad truf tambahan untuk mengurangkan lagi kuasa setiap bit. Memori magnetoresistif disatukan sebagai calon yang serius untuk menjadi pengkomputeran moden kad liar yang diperlukan.