Pomnilnik SOT-MRAM z volframovo plastjo: stava, ki združuje hitrost in učinkovitost

Vodnik za strojno opremo » Komponente » shranjevanje » Pomnilnik SOT-MRAM z volframovo plastjo: stava, ki združuje hitrost in učinkovitost

SOT-MRAM pomnilnik z volframovo plastjo se je prikradla v razprave na visoki ravni o prihodnosti računalništva iz enega jasnega razloga: obljublja združitev vrtoglave hitrosti, nehlapnosti in izjemno nizke porabe energije na istem čipu. V dobi umetne inteligence in interneta stvari, kjer šteje vsak milivat, si ta magnetorezistivna tehnologija prizadeva na novo opredeliti tako Visokozmogljiv RAM kot na primer nehlapno shranjevanje.

Onkraj naslova, kaj resnično spreminja igro To so konkretni napredki: celice, ki pišejo v 0,35 nanosekunde brez pomožnega polja, imajo moč pisanja le 156 fJ in 35-odstotno izboljšanje v primerjavi s prejšnjimi generacijami SOT. Vse to ob ohranjanju toplotne stabilnosti in Zelo visok TMR, ključne sestavine za prenos MRAM-a iz laboratorija v tovarno 300 mm in nato v prenosnik, mobilni telefon ali podatkovni center.

Kaj je SOT-MRAM in zakaj vsi govorijo o tem?

SOT-MRAM (Spin-Orbit Torque MRAM) je različica MRAM-a, ki uporablja vrtilno-orbitalni momenti ustvarjeno v plasteh težkih kovin za preklop magnetnega stanja "proste plasti" znotraj magnetnega tunelskega spoja (MTJ). Za razliko od DRAM-a in SRAM-a ne potrebuje osveževanja; in v primerjavi s bliskovnim pomnilnikom zapisuje hitro, brez visokih napetosti in s praktično neomejeno vzdržljivostjo.

V tipičnem MTJ sobivajo fiksna feromagnetna plast (referenca), ultra tanka izolacijska pregrada in prosta feromagnetna plast, katere orientacija se lahko spreminja. Če sta obe plasti poravnani, je upornost manjša; če sta antiparalelna, se upornost poveča. Ta razlika se izmeri med branjem za kodiranje 0/1, nedestruktivno in zelo hitro.

SOT-MRAM postavi zapisovalni tok v ravnino vzporedno s celico, z uporabo spinskega Hallovega efekta v materialih, kot so volfram, tantal ali platina, za vbrizgavanje kotnega momenta v prosto plast. Prednost? Izjemno visoke hitrosti in manjša obraba, poleg fizičnega ločevanja bralnih in pisalnih poti, kar izboljša zanesljivost celotnega sistema.

Fizika v dveh potezah: spin, MTJ in dve preklopni poti (STT proti SOT)

Elektronski spin si lahko predstavljamo kot majhen kvantni kompas, ki kaže "gor" ali "dol". Tunelska magnetna upornost Do tega pride, ker elektroni prehajajo skozi izolacijsko pregrado z različnimi verjetnostmi, odvisno od relativne poravnave obeh feromagnetnih plasti. Ta sprememba upora je osnova za branje MRAM celic.

V STT-MRAM (Spin Transfer Torque) tok teče skozi MTJ in prenaša spinalni navor, da preusmeri prosto plast. To je komercialno najbolj zrela možnost, ki se pogosto uporablja v mikrokrmilnikih in vgrajenih sistemih. V SOT-MRAM tok teče skozi sosednjo kovinsko plast; spin-Hallov učinek ustvari spin tok, ki preklopi prosto plast. SOT je na splošno hitrejši in manj vsiljiv v MTJ, s svetlo prihodnostjo kot kandidat za zamenjavo SRAM-a v predpomnilnikih.

Raziskane so bile tudi dopolnilne rešitve, kot so naprave. multiferoiki kjer električna polja pomagajo popraviti ali obrniti magnetizacijo, in "nagnjene" zasnove, ki olajšajo pisanje brez potrebe po zunanjem pomožnem polju, kar poenostavi vezje in izboljša učinkovitost.

Tohokujev skok: 0,35 ns, 156 fJ in zapis brez pomožnega polja

Ekipa z univerze Tohoku je dokazala nagnjen SOT-MRAM sposoben pisati v 0,35 nanosekundi brez uporabe zunanjega magnetnega polja. Ključ je v "nagnjeni" zasnovi s kotom 75° in njeni optimizaciji z mikromagnetno simulacijo in postopkom rezin velikosti 300 mm, kar je primerno za povečanje obsega industrijske proizvodnje.

Kot in optimizacija kotov anizotropija proste plasti To je omogočilo zmanjšanje moči pisanja na 156 femtodžulov, kar je 35 % manj kot pri primerljivih prejšnjih tehnologijah SOT, hkrati pa je ohranjen faktor toplotne stabilnosti E/kBT 70 (stabilnost proti toplotnim nihanjem) in zelo visoko razmerje TMR (170 %). Z drugimi besedami: največja hitrost, minimalna poraba in robustnost.

Ti parametri odpravljajo tri glavne ovire: zmogljivost, učinkovitost in združljivost s proizvodnim pretokom 300 mm. To odpira vrata njegovi uporabi v podatkovnih centrov, razvoj umetne inteligence, interneta stvari, pametnih telefonov in zahtevnih vgrajenih sistemov, kjer je kombinacija nehlapnosti in nizke porabe energije čisto zlato.

Vse to se ujema s ciljem, ki ga je ekipa sama izrazila: prilagoditi MRAM družbi, ki jo pospešujeta umetna inteligenca in internet stvari, pri čemer je treba dati prednost zmanjšajte energijo pisanja brez žrtvovanja ultra hitrih hitrosti, ki jih zahteva današnja strojna oprema.

Kakšen prispevek ima volframova plast k SOT-MRAM?

V SOT napravah je ključnega pomena plast težke kovine, ki ustvarja vrtilni navor. Volfram (zlasti v β fazi) Izstopa po visokem Hallovem kotu vrtenja, kar pomeni večjo učinkovitost pretvorbe polnilnega toka v spinalni tok. Preprosto povedano: manj energije za menjavo bita in hitrejši časi preklapljanja.

Poleg volframa se uporabljajo tudi kovine, kot sta tantal ali PlatinumPravzaprav so akademske raziskave pokazale izboljšave z vključitvijo nanometrskih plasti platine pod magnetne plasti, kar olajša preklapljanje in zmanjša porabo energije med operacijami pisanja. V vseh primerih je ideja enaka: materiali z močno spin-orbitalno sklopitvijo, ki učinkovito vbrizgajo spin v prosto plast.

Izbira težkih kovin vpliva na kritične parametre: pisanje (in s tem moč), visoka hitrost in zanesljivost, združljivost z zlaganjem MTJ ter BEOL procesa CMOS. Volfram se odlikuje po svoji učinkovitosti SOT, vendar industrija ceni tudi njegovo integracijo v napredne procese, kar je ključnega pomena pri obravnavi najsodobnejših vozlišč.

Omeniti velja, da se Tohokujev napredek pri nagnjenih celicah osredotoča na arhitekturo in anizotropno inženirstvo, medtem ko druge linije, kot so tiste, ki temeljijo na platinasti foliji ali multiferoičnih pristopih, raziskujejo komplementarne poti. Vse prispeva k skupnemu cilju: manj energije na bit, večja hitrost in procesi, združljivi z masovno proizvodnjo.

MRAM in STT-MRAM danes: izdelki iz resničnega sveta, sevanje in ekstremna okolja

Medtem ko SOT-MRAM natančno uravnava svoj obsežni skok, STT-MRAM je zdaj na trguNa voljo so 64 Mb in 1 Gb pomnilniki, namenjeni vesoljski in letalski industriji, s hermetičnimi keramičnimi ohišji (CLGA/CBGA) ter različicami RAD-HARD, RAD-Tolerant in neutrjenimi različicami. Ti pomnilniki ponujajo resnično naključno branje in pisanje, visoko odpornost na magnetni tok (zmanjšane zahteve glede zaščite) in odličen profil moči.

V zahtevnih okoljih te komponente zagotavljajo hramba podatkov več kot 10 let med -40 in +125 °C, s tipičnimi napetostmi od 2,7 do 3,6 V in minimalnimi dostopnimi časi približno 45 ns v vojaškem območju. To pomeni, da niso le odporni na sevanje, ampak zanesljivo delujejo tudi v zahtevnih toplotnih pogojih.

Nedavni razvoj je pomnožil gostoto: skok s 16 Mb na 64 Mb v isti obliki, in do 1 Gb (32M x 32) z 22 nm tehnologijo pMTJ STT-MRAM. Govori se o izboljšavah bitne gostote v velikosti nekaj tisoč Mb/mm² v primerjavi s prejšnjimi generacijami, kar kaže na pot skaliranja, ki je že oprijemljiva.

Proizvajalci in dobavitelji z visoko zanesljivostjo poudarjajo, da je kombinacija nizka poraba, praktično neskončna upornostZaradi visoke zmogljivosti in skalabilnosti je ta MRAM optimalna alternativa v obrambni, vesoljski, avtomobilski in kritičnih vgrajenih sistemih, kjer nehlapnost doda dodatno plast zaščite pred izpadi električne energije ali okvarami.

Bistvene primerjave: MRAM v primerjavi s SRAM, DRAM in Flash

MRAM združuje prednosti več tehnologij: Ni hlapno kot bliskavica, pospeši branje in pisanje skoraj do ravni SRAM-a in ponuja gostote, ki so bližje DRAM-u. V primerjavi z DRAM-om se izogne ​​osveževanju (ki se v DRAM-u zgodi približno tisočkrat na sekundo), kar zmanjša porabo energije v stanju mirovanja in kompleksnost krmiljenja.

Kar zadeva hitrost, so bili dostopi dokumentirani v naslednjem vrstnem redu: 2 ns v MRAM-u laboratorij, ki s sodobnejšimi postopki prekaša DRAM. V primerjavi z bliskovnim pomnilnikom je razlika v hitrosti pisanja ogromna: ni potrebe po 10 V impulzih s počasnimi črpalkami polnjenja ali degradacijo cikla, zato je življenjska doba veliko daljša.

Tipične vrednosti: da danes posnamem sliko zemljevida spomina:

Primerjalno	MRAM	SRAM	DRAM	Flash
Volatilnost	Ne	Da	Da	Ne
Hitrost	Visoko	Zelo visoko	Visoko	Nizka pisna sposobnost
Poraba	Bajo	Visoka	Srednje	Zelo nizko v mirovanju

opombaMRAM izstopa po svoji odpornosti proti obrabi, saj vzdrži milijone/milijarde ciklov pisanja brez opazne degradacije, kar je nekaj, kar običajni bliskovni pomnilnik ne more doseči.

STT-MRAM v primerjavi z drugimi nehlapnimi RAM-i: Številke, ki so pomembne

Znotraj družine MRAM, STT-MRAM Predstavlja merljive prednosti pred nehlapnimi alternativami, kot so OKVIR, NVSRAM ali Toggle MRAM. Tipični časi, časi ciklov in območja zadrževanja so naslednji:

Točka	STT-MRAM	OKVIR	NVSRAM	Preklopi MRAM
tipo	Ni hlapno	Ni hlapno	Ni hlapno	Ni hlapno
Pisanje	Prepiši	Prepiši	Prepiši	Prepiši
Zakasnitev pisanja	~25 ns	~150 ns	~25 ns	~35 ns
Cikli branja/pisanja	~1e13	~1e14	~1e7	~1e13
Zadrževanje	> 20 let	~10 leta	~20 leta	> 20 let

V primerjavi z EEPROM, Flash, SRAM in FRAM ponuja STT-MRAM prepisati in brez polnilnih črpalk, z veliko večjo vzdržljivostjo kot EEPROM/flash in brez potrebe po bateriji, kot so nekateri SRAM-i z varnostnim kopiranjem:

Točka	STT-MRAM	EEPROM	Flash	SRAM	OKVIR
tipo	Ni hlapno	Ni hlapno	Ni hlapno	Hlapljivo	Ni hlapno
Metoda pisanja	Prepiši	Izbriši + zapiši	Izbriši + zapiši	Prepiši	Prepiši
Tipično pisanje	~25 ns	~10 μs	~10 μs	~5 ns	~150 ns
Cikli branja/pisanja	~1e13	~1e6	~1e5	Neomejeno	~1e14
polnilna črpalka	Ne	Da	Da	Ne	Ne
Rezervna baterija	Ne	Ne	Ne	V nekaterih	Ne

Tehnični izzivi: skaliranje, tokovi in ​​polovična izbira

Ni vse popolno. Izdelava celic MRAM zahteva natančni nanometrični procesi in kompleksne sklade. V klasičnih zasnovah je bil tok, potreben za pisanje, visok, pojav polovične izbire (interferenca med sosednjimi celicami) pa je omejeval miniaturizacijo vozlišč na približno 180 nm; različice s "preklapljanjem" so jo potisnile na ~90 nm.

Da bi lahko konkuriral DRAM/flash po ceni na bit, se mora MRAM premakniti v manjša vozlišča (zgodovinsko gledano, 65 nm palica (postavil cilj), kar je najprej spodbudilo prehod na STT in zdaj na SOT s težkimi plastmi, kot je volfram. SOT-MRAM pomaga zmanjšati tok, ločiti poti R/W in povečati hitrost, trije deli iste sestavljanke.

Pomembno je tudi ekonomsko vprašanje: cena na bit in uporabna gostota pri pakiranju velikih nizov. Kljub temu pa sta prihod komercialnih izdelkov STT in zrelost 300 mm procesov znaka, da se ekosistem premika v pravo smer.

Takojšnji cilj je znižati moč na bit, ne da bi pri tem žrtvovali toplotno stabilnost ali TMR, in to storiti na standardni CMOS pretok Združljivo s kovinskim zadnjim delom vodilnih vozlišč. Volframova plast in njen visok navorni izkoristek sta pri tem naravnem zavezniku.

Časovnica in zorenje trga

Zgodba sega daleč nazaj. Od feritno jedro pomnilnika V petdesetih letih prejšnjega stoletja je MRAM z odkritjem magnetorezistorjev v tankih filmih (IBM, 1989) in valom sodelovanj (IBM-Infineon, 2000; NVE s Cypressom, 2002) dosegel mejnike s prototipi s 128 KiB in 1–16 Mibit v 180–150 nm postopkih sredi 2000-ih.

V letih 2004–2006 smo videli, kako so TSMC, NEC, Toshiba in Renesas pokazali hitrejši prototipi (do 200 Mbit/s s 34 ns cikli in 1,8 V), rekordne hitrosti celic pri 2 GHz in pojav MgO barier, ki so izboljšale zmogljivost pisanja. Čeprav so se nekatera podjetja umaknila, je področje ostalo živo, saj je Freescale takrat tržil 4 Mbitne čipe.

Vnetje STT-MRAM spremenila pravila: Sony je leta 2005 predstavil prvi laboratorijski prototip SOT-MRAM; leta 2018 pa je Intel napovedal množično proizvodnjo MRAM-a, s čimer je jasno pokazal, da tehnologija ni več le obljuba. Od takrat se osredotoča na množično proizvodnjo SOT-MRAM-a kot resnične alternative nekaterim SRAM-om.

Kar zadeva uporabo, je paleta ogromna: vojska in vesoljska industrija, pametne kartice, mobilni telefoni, kamere, osebni računalniki, bazne postaje, Zamenjava SRAM-a z baterijo in posebne pomnilnike za snemalnike v obliki črne škatle. Vizija »univerzalnega pomnilnika« – ene same tehnologije, ki bi pokrivala več vlog – ni nerealna.

Nove poti: multiferoiki in električno polje za pisanje

Poleg SOT obstajajo tudi moteče fronte, ki so usmerjene k magnetizacija z električnim poljemRaziskovalci so predstavili heterogene multiferoične strukture s tankimi plastmi – na primer z integracijo vanadija med feroelektričnimi in piezoelektričnimi materiali – ki stabilizirajo smeri magnetizacije in omogočajo njihovo obrnitev z uporabo električnega toka, kar dodatno zmanjša energijo preklapljanja.

Ti predlogi kažejo na naložbo v stabilno magnetno krmiljenje brez neprekinjenega napajanja in si prizadevati za še dlje vzdržljive in energetsko učinkovite MRAM-e. Težave, kot je zmanjšanje učinkovitosti preklapljanja sčasoma, je treba še rešiti, vendar je potencial za visokozmogljivo računalništvo z nizko porabo energije očiten.

Vzporedno so druga dela pokazala, da vključitev a nanometrični platinasti film pod magnetnimi plastmi izboljša dinamiko preklapljanja, kar podpira idejo, da je fino inženirstvo vmesnikov in težkih materialov (W, Ta, Pt) eden najjasnejših pospeševalcev za komercialne SOT izdelke naslednje generacije.

Ključne aplikacije: od SRAM-a do umetne inteligence, interneta stvari in oblaka

Ali lahko SOT-MRAM nadomesti SRAM? Kar zadeva surovo zmogljivost, SRAM še vedno prevladuje; vendar SOT-MRAM to nadomesti z brez hlapnosti, nižja energija in razumna skalabilnost. Pri velikih predpomnilnikih, visokohitrostnem NVM ali računalništvu blizu pomnilnika se na določenih ravneh hierarhije tehtnica začne pretehtati v prid SOT.

V avtomobilski industriji MRAM že kaže prednosti: zelo hitro branje, izjemno nizka poraba energije in visoka gostota v primerjavi z eFlash/eSRAM, kar spodbuja prehod na pametnejša vozila. V mobilnih telefonih in nosljivih napravah poenostavlja zasnovo s konsolidacijo pomnilniških podsistemov, zmanjšuje porabo energije in podaljšuje življenjsko dobo baterije brez žrtvovanja zmogljivosti.

V osebnih računalnikih in vgrajenih sistemih lahko MRAM deluje kot nehlapni predpomnilnik, nadomestiti NOR/SRAM v vdelani programski opremi in sčasoma celo približati se pokritju scenarijev, ki so bili tradicionalno rezervirani za DRAM ali PSRAM, kadar absolutna latenca ni glavni omejujoči dejavnik.

Za podatkovne centre in umetno inteligenco je obljuba tehnologije, ki v mirovanju ne porablja energijeZ ultra hitrim pisanjem in izjemno vzdržljivostjo se to prevede v nižje skupne stroške lastništva in zmanjšan ogljični odtis. Če k temu dodamo še možnost delovanja brez pomožnega polja, postane enačba delovanja zelo privlačna.

Glede na vrsto napredkov – nagnjene celice brez polja, volframove/platinaste plasti za učinkovite SOT in multiferoične pristope – se MRAM uveljavlja kot temelj visokozmogljive elektronike z nizko porabo energije. Naslednji korak je konsolidacija teh kosov v proizvodnih vozliščih s konkurenčnimi donosi.

Trenutna fotografija prikazuje tehnologijo, ki je iz komercialnih različic STT v vesoljska in vgrajena tehnologija do rekordnih prototipov SOT, se popolnoma ujema z načrtom za umetno inteligenco in internet stvari. Če se bodo stroški na bit in skaliranje ohranili, bomo videli volframovo plast SOT-MRAM in sorodne tehnologije, ki bodo vedno bližje računalništvu, tudi v okviru splošnonamenskih SoC-jev.

Vse kaže na kombinacijo hitrosti (0,35 ns), drobna pisateljska energija (156 fJ), visoka toplotna stabilnost (E/kBT~70) in visok TMR (~170 %) bodo omogočili njegovo množično uporabo, če bo tovarniški ekosistem to podpiral s 300 mm procesi in brezhibno združljivostjo s CMOS.

Brez odpiranja šampanjca pred časom, pot je začrtanaSTT-MRAM že rešuje resnične probleme na kritičnih trgih; SOT-MRAM, podprt z volframovimi plastmi in drugimi materialnimi inženiringi, zagotavlja potrebno izboljšavo za konkurenco SRAM-u v določenih pomnilniških plasteh; multiferoični prehodi pa ponujajo dodaten adut za nadaljnje zmanjšanje porabe energije na bit. Magnetorezistivni pomnilnik se utrjuje kot resen kandidat za nadaljnjo vlogo sodobnega računalništva.