Memorie SOT-MRAM me një shtresë tungsteni: basti që bashkon shpejtësinë dhe efikasitetin

Udhëzues për Pajisjet » Komponentet » Ruajtje » Memorie SOT-MRAM me një shtresë tungsteni: basti që bashkon shpejtësinë dhe efikasitetin

Memorie SOT-MRAM me shtresë tungsteni është futur në debatin e nivelit të lartë rreth të ardhmes së informatikës për një arsye të qartë: premton të bashkojë shpejtësinë marramendëse, paqëndrueshmërinë dhe konsumin ultra të ulët të energjisë në të njëjtin çip. Në epokën e IA-së dhe IoT-së, ku çdo milivat ka rëndësi, kjo teknologji magnetorezistive synon të ripërcaktojë si RAM me performancë të lartë siç është ruajtja jo-volatile.

Përtej titullit, çfarë po e ndryshon vërtet lojën Këto janë përparime konkrete: qeliza që shkruajnë në 0,35 nanosekonda pa një fushë ndihmëse, fuqi shkrimi prej vetëm 156 fJ dhe përmirësime prej 35% krahasuar me gjeneratat e mëparshme të SOT. E gjithë kjo duke ruajtur stabilitetin termik dhe një TMR shumë e lartë, përbërësit kryesorë për sjelljen e MRAM nga laboratori në fabrikën 300 mm dhe më pas në laptop, telefon celular ose qendër të të dhënave.

Çfarë është SOT-MRAM dhe pse të gjithë flasin për të?

SOT-MRAM (Spin-Orbit Torque MRAM) është një variant i MRAM që përdor momentet rrotulluese të orbitës spin gjenerohet në shtresa të metaleve të rënda për të ndërruar gjendjen magnetike të një "shtrese të lirë" brenda një kryqëzimi tuneli magnetik (MTJ). Ndryshe nga DRAM dhe SRAM, nuk kërkon rifreskim; dhe krahasuar me flash-in, shkruan shpejt, pa tensione të larta dhe me qëndrueshmëri praktikisht të pakufizuar.

Në një MTJ tipike bashkëjetojnë një shtresë ferromagnetike e fiksuar (referencë), një barrierë izoluese ultra e hollë dhe një shtresë ferromagnetike e lirë, orientimi i së cilës mund të ndryshohet. Nëse të dy shtresat janë të rreshtuara, rezistenca është më e ulët; nëse ato janë antiparalele, rezistenca rritet. Ky ndryshim matet gjatë leximit për të koduar 0/1, në mënyrë jo-shkatërruese dhe shumë shpejt.

SOT-MRAM e vendos rrymën e shkrimit në një plan paralel me qelizën, duke përdorur efektin e spin Hall në materiale të tilla si tungsteni, tantali ose platini për të injektuar moment këndor në shtresën e lirë. Avantazhi? Shpejtësi jashtëzakonisht të larta dhe më pak konsumim, përveç ndarjes fizike të shtigjeve të leximit dhe shkrimit, gjë që përmirëson besueshmërinë e të gjithë sistemit.

Fizika në dy goditje: spini, MTJ dhe dy shtigjet e ndërrimit (STT vs SOT)

Spini i elektronit mund të mendohet si një busull e vogël kuantike që tregon "lart" ose "poshtë". Magnetorezistenca e tunelit Kjo ndodh sepse elektronet kalojnë nëpër barrierën izoluese me probabilitete të ndryshme në varësi të shtrirjes relative të dy shtresave ferromagnetike. Ky ndryshim në rezistencë është baza për leximin e qelizave MRAM.

Në STT-MRAM (Spin Transfer Torque), rryma rrjedh nëpër MTJ dhe transferon momentin e rrotullimit për të riorientuar shtresën e lirë. Është opsioni më i pjekur komercialisht, i përdorur gjerësisht në mikrokontrollues dhe sisteme të ngulitura. Në SOT-MRAM, rryma rrjedh përmes një shtrese metalike ngjitur; efekti spin-Hall gjeneron një rrymë spini që ndërron shtresën e lirë. SOT është përgjithësisht më i shpejtë dhe më pak ndërhyrës në MTJ, me një të ardhme të ndritur si një kandidat për të zëvendësuar SRAM në memorje të fshehta.

Janë eksploruar edhe zgjidhje plotësuese, të tilla si pajisjet. multiferoikë ku fushat elektrike ndihmojnë në rregullimin ose kthimin e magnetizimeve, dhe dizajne "të pjerrëta" që lehtësojnë shkrimin pa pasur nevojë për një fushë ndihmëse të jashtme, duke thjeshtuar qarkun dhe duke përmirësuar efikasitetin.

Kërcim Tohoku: 0,35 ns, 156 fJ dhe shkrim pa fushë ndihmëse

Një ekip nga Universiteti Tohoku ka demonstruar një SOT-MRAM i anuar i aftë të shkruajë në 0,35 nanosekonda pa përdorur një fushë magnetike të jashtme. Çelësi qëndron në një dizajn "të pjerrët" me një kënd 75° dhe optimizimin e tij përmes simulimit mikromagnetik dhe një procesi të pllakës prej 300 mm, i përshtatshëm për shkallëzimin deri në prodhim industrial.

Kënd dhe optimizim këndi anizotropia e shtresës së lirë Kjo ka lejuar që fuqia e shkrimit të reduktohet në 156 femtojoule, 35% më pak se teknologjitë e mëparshme të krahasueshme SOT, duke ruajtur njëkohësisht një faktor stabiliteti termik E/kBT prej 70 (qëndrueshmëri ndaj luhatjeve termike) dhe një raport shumë të lartë TMR (170%). Me fjalë të tjera: shpejtësi maksimale, konsum minimal dhe qëndrueshmëri.

Këto parametra kapërcejnë tre pengesa kryesore: performancë, efikasitet dhe përputhshmëri me një fluks prodhimi prej 300 mm. Kjo hap derën për përdorimin e saj në qendrat e të dhënave, zhvillimi i inteligjencës artificiale, IoT, telefonave inteligjentë dhe sistemeve të integruara që kërkojnë shumë vëmendje, ku kombinimi i paqëndrueshmërisë dhe energjisë së ulët është flori i pastër.

E gjithë kjo përputhet me një qëllim që vetë ekipi e shprehu: të përshtatë MRAM-in në një shoqëri të përshpejtuar nga IA dhe Interneti i Gjërave, duke i dhënë përparësi zvogëlon energjinë e shkrimit pa sakrifikuar shpejtësitë ultra të shpejta të kërkuara nga pajisjet e sotme.

Çfarë kontribuon shtresa e tungstenit në SOT-MRAM?

Në pajisjet SOT, shtresa e metaleve të rënda që gjeneron çift rrotullues spin-orbitë është thelbësore. Tungsteni (veçanërisht në fazën e tij β) Ai dallohet për këndin e tij të lartë të spinit Hall, i cili përkthehet në efikasitet më të madh në konvertimin e rrymës së ngarkesës në rrymë spini. Thënë thjesht: më pak energji për të ndryshuar bitin dhe kohë më të shpejta ndërrimi.

Së bashku me tungstenin, metale të tilla si tantali ose platinNë fakt, kërkimet akademike kanë treguar përmirësime duke përfshirë shtresa platini me madhësi nanometri nën shtresat magnetike, duke lehtësuar ndërrimin dhe duke zvogëluar konsumin e energjisë gjatë operacioneve të shkrimit. Në të gjitha rastet, ideja është e njëjtë: materiale me çiftëzim të fortë spin-orbitë që injektojnë në mënyrë efikase spin në shtresën e lirë.

Zgjedhja e metaleve të rënda ndikon në parametrat kritikë: rrjedhë shkrimi (dhe për rrjedhojë fuqia), besueshmëria me shpejtësi të lartë, përputhshmëria me MTJ stacking dhe BEOL e procesit CMOS. Tungsteni shkëlqen për efikasitetin e tij SOT, por industria vlerëson gjithashtu integrimin e tij në procese të përparuara, gjë që është thelbësore kur merren në konsideratë nyjet më të përparuara.

Vlen të përmendet se përparimet e Tohokut në qelizat e pjerrëta përqendrohen në arkitekturë dhe inxhinieri anizotropie, ndërsa linja të tjera, të tilla si ato të bazuara në fletë platini ose qasje multiferoike, po eksplorojnë rrugë plotësuese. Çdo gjë kontribuon në një qëllim të përbashkët: më pak energji për bit, më shumë shpejtësi dhe procese të pajtueshme me prodhimin masiv.

MRAM dhe STT-MRAM Sot: Produkte të Botës Reale, Rrezatimi dhe Mjedise Ekstreme

Ndërsa SOT-MRAM përsos kërcimin e saj në shkallë të gjerë, STT-MRAM tani është në tregEkzistojnë pajisje 64 Mb dhe 1 Gb të synuara për aplikimet hapësinore dhe ajrore me paketa hermetike qeramike (CLGA/CBGA) dhe variante RAD-HARD, RAD-Tolerante dhe jo të përforcuara. Këto memorie ofrojnë akses vërtet të rastësishëm leximi dhe shkrimi, rezistencë të lartë ndaj fluksit magnetik (kërkesa të reduktuara për mbrojtje) dhe një profil të shkëlqyer fuqie.

Në mjedise të ashpra, këto komponentë garantojnë ruajtja e të dhënave për më shumë se 10 vjet midis -40 dhe +125°C, me tensione tipike prej 2,7 deri në 3,6 V dhe kohë minimale aksesi prej rreth 45 ns në diapazonin ushtarak. Kjo do të thotë që ato jo vetëm që nuk ndikohen nga rrezatimi, por gjithashtu funksionojnë në mënyrë të besueshme në kushte termike të kërkuara.

Zhvillimet e fundit kanë shumëfishuar dendësitë: një kërcim nga 16 Mb në 64 Mb në të njëjtin format, dhe deri në 1 Gb (32M x 32) me teknologjinë pMTJ STT-MRAM 22 nm. Flitet për përmirësime në dendësinë e biteve në rendin e disa mijëra Mb/mm² krahasuar me gjeneratat e mëparshme, duke treguar një rrugë shkallëzimi që është tashmë e prekshme.

Prodhuesit dhe furnizuesit me besueshmëri të lartë theksojnë se kombinimi i konsum i ulët, rezistencë praktikisht e pafundmePerformanca e lartë dhe shkallëzueshmëria e bëjnë këtë MRAM një alternativë optimale në sistemet e mbrojtjes, hapësirës ajrore, automobilistike dhe sistemet kritike të ngulitura, ku jo-volatiliteti shton një shtresë shtesë sigurie kundër ndërprerjeve ose dështimeve.

Krahasime thelbësore: MRAM kundrejt SRAM, DRAM dhe Flash

MRAM kombinon virtytet e disa teknologjive: Nuk është i paqëndrueshëm si flashi, përshpejton leximin dhe shkrimin pothuajse në nivelin e SRAM dhe ofron dendësi më të afërta me DRAM. Krahasuar me DRAM, ai shmang rifreskimet (të cilat ndodhin rreth mijëra herë në sekondë në DRAM), duke zvogëluar konsumin e energjisë në gjendje joaktive dhe kompleksitetin e kontrollit.

Për sa i përket shpejtësisë, akseset janë dokumentuar në rendin e mëposhtëm: 2 ns në MRAM laboratorike, duke tejkaluar DRAM-in me procese më moderne. Krahasuar me memorien flash, ndryshimi në shpejtësinë e shkrimit është i madh: nuk ka nevojë për impulse 10 V me pompa ngarkimi të ngadaltë ose degradim të ciklit, kështu që jetëgjatësia është shumë më e gjatë.

Vlerat tipikepër të bërë një fotografi të hartës së kujtesës sot:

Krahasues	Mram	SRAM	DRAM	Blic
Paqëndrueshmëria	jo	Po	Po	jo
Shpejtësi	Alta	Shumë e lartë	Alta	Pak në shkrim
konsum	Bajo	I lartë	mes	Shumë i ulët në qetësi

ShënimMRAM shquhet për rezistencën e saj ndaj konsumimit, duke përballuar miliona/miliarda cikle shkrimi pa degradim të konsiderueshëm, diçka përtej mundësive të memories flash konvencionale.

STT-MRAM kundrejt RAM-eve të tjera jo-të paqëndrueshme: Numrat që kanë rëndësi

Brenda familjes MRAM, STT-MRAM Ai paraqet avantazhe të matshme ndaj alternativave jo të paqëndrueshme, siç janë KORNIZA, NVSRAM, ose MRAM me ndërrim/çaktivizim. Koha tipike, kohëzgjatjet e cikleve dhe diapazoni i ruajtjes janë si më poshtë:

Pikë	STT-MRAM	KORNIZA	NVSRAM	Aktivizo/çaktivizo MRAM-in
Lloj	Jo i paqëndrueshëm	Jo i paqëndrueshëm	Jo i paqëndrueshëm	Jo i paqëndrueshëm
shkrim	Mbishkruaj	Mbishkruaj	Mbishkruaj	Mbishkruaj
Vonesa e shkrimit	~25 ns	~150 ns	~25 ns	~35 ns
Ciklet R/W	~1e13	~1e14	~1e7	~1e13
Mbajtje	> 20 vjet	~ 10 vjet	~ 20 vjet	> 20 vjet

Krahasuar me EEPROM, Flash, SRAM dhe FRAM, STT-MRAM ofron mbishkruaj shkrimin dhe pa pompa karikimi, me një qëndrueshmëri shumë më të lartë se EEPROM/flash, dhe pa nevojën për një bateri si disa SRAM me rezervë:

Pikë	STT-MRAM	EEPROM	Blic	SRAM	KORNIZA
Lloj	Jo i paqëndrueshëm	Jo i paqëndrueshëm	Jo i paqëndrueshëm	I paqëndrueshëm	Jo i paqëndrueshëm
Metoda e shkrimit	Mbishkruaj	Fshij+Shkruaj	Fshij+Shkruaj	Mbishkruaj	Mbishkruaj
Shkrim tipik	~25 ns	~10 μs	~10 μs	~5 ns	~150 ns
Ciklet R/W	~1e13	~1e6	~1e5	i pakufizuar	~1e14
pompë karikimi	jo	Po	Po	jo	jo
Bateri rezervë	jo	jo	jo	Në disa	jo

Sfidat teknike: shkallëzimi, rrymat dhe gjysmë-përzgjedhja

Jo çdo gjë është perfekte. Prodhimi i qelizave MRAM kërkon procese të sakta nanometrike dhe pirgje komplekse. Në modelet klasike, rryma e kërkuar për shkrim ishte e lartë, dhe fenomeni i gjysmë-përzgjedhjes (ndërhyrja midis qelizave fqinje) kufizoi miniaturizimin në nyje rreth 180 nm; variantet me "ndërprerje" e çuan atë në ~90 nm.

Për të konkurruar në kosto për bit me DRAM/flash, MRAM duhet të zhvendoset në nyje më të vogla (historikisht, shiriti 65 nm vendosja e një objektivi), dhe kjo ka motivuar kalimin fillimisht në STT dhe, tani, në SOT me shtresa të rënda si tungsteni. SOT-MRAM ndihmon në uljen e rrymës, ndarjen e shtigjeve R/W dhe rritjen e shpejtësisë, tre pjesë të të njëjtit enigmë.

Faktori ekonomik gjithashtu ndikon: kosto për bit dhe dendësia e dobishme gjatë paketimit të vargjeve të mëdha. Megjithatë, mbërritja e produkteve komerciale STT dhe pjekuria e proceseve 300 mm janë shenja se ekosistemi po lëviz në drejtimin e duhur.

Qëllimi i menjëhershëm është të ulet fuqia për bit pa sakrifikuar kufirin e stabilitetit termik ose TMR-në, dhe ta bëhet kjo në një mënyrë rrjedha standarde CMOS I pajtueshëm me pjesën e prapme metalike të nyjeve kryesore. Shtresa e tungstenit dhe efikasiteti i saj i lartë i çift rrotullues janë një aleat i natyrshëm në këtë përpjekje.

Afati kohor dhe pjekuria e tregut

Historia daton shumë kohë më parë. Nga memorie bërthame ferriti Në vitet 50, nëpërmjet zbulimit të magnetorezistorëve në filma të hollë (IBM, 1989) dhe valës së bashkëpunimeve (IBM-Infineon, 2000; NVE me Cypress, 2002), MRAM është ngjitur në momente kyçe me prototipe prej 128 KiB dhe 1–16 Mibit në procese 180–150 nm në mesin e viteve 2000.

Në vitet 2004–2006 pamë shfaqjet e TSMC, NEC, Toshiba dhe Renesas. prototipa më të shpejta (deri në 200 Mbit/s me cikle 34 ns dhe 1,8 V), shpejtësi rekord të qelizave në 2 GHz dhe shfaqjen e barrierave MgO që përmirësuan performancën e shkrimit. Edhe pse disa kompani u tërhoqën, fusha mbeti gjallë, me Freescale që nxori në treg çipa 4 Mbit në atë kohë.

Shfaqja e STT-MRAM ndryshoi rregullat: Sony prezantoi prototipin e parë laboratorik SOT-MRAM në vitin 2005; dhe në vitin 2018, Intel njoftoi prodhimin në masë të MRAM, duke e bërë të qartë se teknologjia nuk ishte më vetëm një premtim. Që atëherë, fokusi ka qenë në sjelljen e SOT-MRAM në prodhim masiv si një alternativë reale ndaj disa SRAM-eve.

Për sa i përket përdorimeve, gama është e madhe: ushtarake dhe hapësinore, karta inteligjente, telefona celularë, kamera, PC, stacione bazë, Zëvendësimi i SRAM me bateri dhe kujtime të veçanta për regjistruesit e "kutive të zeza". Vizioni i "kujtesës universale" - një teknologji e vetme për të mbuluar role të shumëfishta - nuk është i paarritshëm.

Rrugë të reja: multiferoikë dhe fushë elektrike për shkrim

Përveç SOT-it, ka fronte shkatërruese që shikojnë drejt magnetizimi nga fusha elektrikeStudiuesit kanë paraqitur struktura heterogjene multiferoike me shtresa të holla - për shembull, integrimin e vanadiumit midis materialeve ferroelektrike dhe piezoelektrike - që stabilizojnë drejtimet e magnetizimit dhe lejojnë që ato të përmbysen duke aplikuar rrymë elektrike, duke zvogëluar më tej energjinë e ndërrimit.

Këto propozime tregojnë investime në drejtim magnetik i qëndrueshëm pa furnizim të vazhdueshëm me energji dhe synojnë MRAM edhe më jetëgjatë dhe me efikasitet energjetik. Mbeten çështje për t'u zgjidhur, siç është degradimi i efikasitetit të ndërrimit me kalimin e kohës, por potenciali për llogaritje me performancë të lartë dhe energji të ulët është i qartë.

Paralelisht, punime të tjera kanë treguar se përfshirja e një film platini nanometër Poshtë shtresave magnetike përmirëson dinamikën e ndërrimit, duke mbështetur idenë se inxhinieria e imët e ndërfaqeve dhe materialeve të rënda (W, Ta, Pt) është një nga përshpejtuesit më të qartë drejt produkteve SOT komerciale të gjeneratës së ardhshme.

Aplikimet kryesore: Nga SRAM te AI, IoT dhe Cloud

A mund ta zëvendësojë SOT-MRAM SRAM? Në performancën e papërpunuar, SRAM ende mbizotëron; por SOT-MRAM e kompenson këtë me pa paqëndrueshmëri, energji më të ulët dhe shkallëzueshmëri të arsyeshme. Për memorje të mëdha, NVM me shpejtësi të lartë ose llogaritje afër memories, balanca fillon të favorizojë SOT në nivele të caktuara të hierarkisë.

Në industrinë e automobilave, MRAM tashmë po demonstron përparësitë e saj: lexim shumë i shpejtë, konsum jashtëzakonisht i ulët energjie dhe dendësi e lartë krahasuar me eFlash/eSRAM, duke nxitur kalimin në automjete më të zgjuara. Në telefonat celularë dhe pajisjet që vishen, thjeshton dizajnet duke konsoliduar nënsistemet e memories, duke zvogëluar konsumin e energjisë dhe duke zgjatur jetëgjatësinë e baterisë pa sakrifikuar performancën.

Në PC dhe sisteme të integruara, MRAM mund të veprojë si memorie e përkohshme, zëvendësojnë NOR/SRAM në firmware dhe, me kalimin e kohës, madje i afrohen mbulimit të skenarëve që tradicionalisht rezervohen për DRAM ose PSRAM kur latenca absolute nuk është faktori kufizues numër një.

Për qendrat e të dhënave dhe inteligjencën artificiale, premtimi i një teknologjie që nuk konsumon energji në qetësiMe shkrime ultra të shpejta dhe qëndrueshmëri ekstreme, kjo përkthehet në një kosto totale totale (TCO) më të ulët dhe një gjurmë karboni më të reduktuar. Shtoni këtu edhe mundësinë për të operuar pa një fushë ndihmëse dhe ekuacioni i operimit bëhet shumë tërheqës.

Duke parë gamën e përparimeve - qelizat e pjerrëta pa fushë, shtresat e tungstenit/platinit për SOT efikase dhe qasjet multiferoike - MRAM po fiton terren si një gur themeli i elektronikës me performancë të lartë dhe fuqi të ulët. Hapi tjetër është të konsolidohen këto pjesë në nyjet e prodhimit me rendimente konkurruese.

Fotografia aktuale është e një teknologjie që, nga variantet komerciale të STT në hapësirës ajrore dhe të integruara te prototipet SOT rekordthyese, përshtatet në mënyrë të përkryer me planin e IA-së dhe IoT-së. Nëse kostoja për bit dhe shkallëzimi mbeten të qëndrueshme, do të shohim SOT-MRAM me shtresë tungsteni dhe teknologjitë përkatëse të integruara gjithnjë e më shumë me informatikën, madje edhe brenda SoC-ve me qëllim të përgjithshëm.

Gjithçka tregon për kombinimin e shpejtësisë (0,35 ns), energji e vogël shkrimi (156 fJ), stabiliteti i lartë termik (E/kBT~70) dhe TMR i lartë (~170%) do ta bëjnë të zbatueshëm përdorimin e tij masiv, për sa kohë që ekosistemi fab e mbështet atë me procese 300 mm dhe përputhshmëri të përsosur CMOS.

Pa e hapur tapën e shampanjës para kohe, rruga është e shtruarSTT-MRAM tashmë zgjidh probleme reale në tregjet kritike; SOT-MRAM, i mbështetur nga shtresat e tungstenit dhe inxhinieria e materialeve të tjera, ofron përsosjen e nevojshme për të konkurruar me SRAM në shtresa të caktuara të memories; dhe viat multiferoike ofrojnë një avantazh shtesë për të ulur më tej fuqinë për bit. Kujtesa magnetorezistive po konsolidohet si një kandidat serioz për t'u bërë karta e jashtëzakonshme e nevojshme për informatikën moderne.