MRAM

Пауля Друде, которая была опубликована в октябрьском номере 2003 журнала Nature. Авторы предложили использовать так называемые «программируемые логические элементы» на основе MRAM-памяти. Вычислительное устройство состоит из логических элементов «и», «или», «и-не» и «или-не». Устройство памяти состоит из элементов, у каждого из которых есть два независимых входа и возможны четыре начальные состояния. Элемент MRAM-памяти содержит два разделенных промежутком магнитных слоя. Если магнитные моменты обоих слоев параллельны, электрическое сопротивление всего элемента небольшое, это отвечает состоянию «1». Если антипараллельны — сопротивление велико и это соответствует состоянию «0». Направления магнитных моментов можно менять на противоположные, пропуская электрический ток по каждой из линий. Независимость входов для каждого из магнитных слоев дает возможность иметь четыре начальных состояния: «00», «01», «10» и «11», гдe «00» отвечает состоянию с отрицательной величиной тока через оба магнитных слоя, а «01» — отрицательному току через слой А и положительному через слой В и т.д. Этим можно осуществлять логические операции «и» и «или». Если добавить еще один вход по току, то появится возможность выполнения логических операций «и-не» и «или-не».

Производительность MRAM зависит от структуры и состава MTJ. Исследования, проведенные Renesas Technology Corp. совместно с Mitsubishi Electric, заключались в изучении зависимости величины магниторезистивного соотношения от резистивной поверхности перехода. Продемонстрированные в 2004 прототипы MRAM имеют микроархитектуру 1T-1MTJ (1 транзистор и 1 переход на ячейку памяти); размер магниторезистивного туннеля одного элемента — TMRE (Tunnel Magneto-Resistance Element) тогда составлял 0, 26x0, 44 µм²; размер ячейки памяти — 0, 81 µм².

В 2003 японская компания NEC представила на конференции IEEE в Сан-Франциско экспериментальную микросхему MRAM, изготовленной по 0, 25-мкм КМОП-технологии и 0, 6-мкм технологии MRAM. Структура ячейки памяти включала числовую шину (word line), разрядную шину (bit line) и магнитный туннельный переход (MTJ). Благодаря особой конструкции массива ячеек памяти инженерам NEC удалось добиться заметного снижения паразитных шумов, что привело к улучшению соотношения сигнал/шум во время операции чтения данных и одновременно позволило уменьшить размеры чипа на 20%.

В 2004 компания Renesas Technology продемонстрировала прототип чипа 1 Мбит MRAM, выполненного с использованием 0, 13-мкм CMOS технологического процесса. Его характеристики: тактовая частота — 143 МГц при напряжении питания 1, 2 В; кол-во циклов перезаписи — свыше 1 трлн (при Т=150°С без ухудшения характеристик); время чтения данных из ячейки — 5, 2 нс.

В последние годы компании Toshiba и NEC разрабатывают MRAM совместно. Согласно опубликованным в феврале 2006 данным, им удалось создать новое изделие, в котором объединены максимальная плотность и наилучшие скоростные показатели операций чтения и записи, достигнутые для MRAM на данный момент. Ее характеристики: объем памяти — 16 Мбит; скорость чтения и записи — 200 Мбит/с (время цикла — 34 нс); напряжение питания — 1, 8 В, что делает ее пригодной для мобильных устройств с батарейным питанием. Основная трудность, с которой столкнулись разработчики, была связана с повышением скорости чтения. Цепь, генерирующая магнитное поле для записи, замедляла операцию чтения из ячейки памяти. Решение было найдено в разделении цепей чтения и записи. Помимо увеличения скорости работы, такой прием позволил снизить эквивалентное сопротивление на 38% за счет "разветвления" тока записи.

В июле 2006 компания Freescale Semicondactor (до 2004 была подразделением корпорации Motorola) представила первые промышленные образцы 4 Мбитных чипов MRAM — MR2A16A, обогнав таких гигантов ИТ-индустрии, как HP и IBM, которые планировали начать их выпуск еще в 2004. Начато их промышленное производство на фабрике в Аризоне. Себестоимость производства (~$25) пока еще очень велика, что, тем не менее, считается быстро преодолимым.

Основными достоинствами MRAM, наряду с достигнутым самым высоким быстродействием, являются: практически неограниченное число допускаемых циклов записи/считывания (например, флэш-накопители имеют ограничения в этом плане) и сохранение записей при отключении питания. Это позволяет ей претендовать на роль универсальной памяти, объединяющей свойства DRAM, SDRAM и флэш-памяти. Поэтому предполагается, что MRAM в перспективе смогут заменить не только современные устройства оперативной памяти, но и жесткие диски, в результате чего архитектура ПК существенно упростится. Согласно данным аналитической компании iSuppli, объем рынка универсальной памяти к 2019 может составить более $76 млрд.