MRAM – järgmise põlvkonna mäluseade Kristo Nikkolo Sissejuhatus MRAM, mis tähendab pikemalt magnettakistuslik RAM, salvestab andmebitte kasutades magnetlaenguid .
Download
Report
Transcript MRAM – järgmise põlvkonna mäluseade Kristo Nikkolo Sissejuhatus MRAM, mis tähendab pikemalt magnettakistuslik RAM, salvestab andmebitte kasutades magnetlaenguid .
MRAM – järgmise
põlvkonna mäluseade
Kristo
Nikkolo
Sissejuhatus
MRAM, mis tähendab pikemalt magnettakistuslik RAM,
salvestab andmebitte kasutades magnetlaenguid . Tuletame
meelde, et tüüpilised mälud nagu näiteks DRAM kasutab
info salvestamiseks elektrilaenguid.
Kasutades magnetlanguid MRAMi mälukiipides, loodetakse
talletada suuremat kogust andmehulka, kasutades
sealjuures vähem patarei võimsust.
Täpselt nagu flash mälugi, mida kasutatakse
kaasakskantavates seadetes nagu näiteks iPod’ides, on ka
MRAM mälu, kus andmed ei hävine kui seadme toide välja
lülitatakse.
Nagu DRAM’i ja SRAM’i puhulgi, saab MRAM mälukiipi
informatsiooni kirjutada ja kustutada lõpmatu arv kordi,
ilma et tulevane andmete kvaliteet selle arvel kannataks.
Näiteks Flash mälud on selles asjas problemaatilised. Neil
saab ühte mälubitti kirutada keskmiselt 100 000 korda,
enne kui see mälupesa kasutuskõlbmatuks muutub.
Arenduse ajalugu I
1955 – Töötati välja praegult juba ajalooks muutunud Magnetic core
memory mälutüüp, mis kasutas samal põhimõttel töötavat kirjutamis – ja
lugemistsükklit kui MRAMgi.
1989 – IBMi teadlased tegid palju võtmeavastusi giant magnetoresistive
effect kohta õhukeste kilede struktuurides.
2000 - IBM ja Infineon lõid ühise MRAMi arendusprogrammi.
2002 - NVE teatas tehnolooiga vahetusest Cypress Semiconductor MRAM
arendajatega.
2003 - Tutvustati 128 kbit MRAM kiipi, mis oli toodetud 0.18
mikromeetrisel tehnoloogial
2004
Juuni - Infineon teatas 16-Mbit prototüübist, mis baseerus 0.18
mikromeetrisel tehnoloogial.
September – MRAM saab Freescale’i standard tooteks
Oktoober - Taiwan arendajad lõid 1Mbit’ise MRAM TSMC ettevõttes.
Oktoober - Micron lõpetab MRAMi arendusprojektist teiste
mälutehnoloogiate arenduse heaks.
Detsember - TSMC, NEC, Toshiba kirjeldavad novel (novel=üks mälu
tehnoloogia) MRAM mälurakke.
Detsember- Renesas Technology arendab välja väga kiire, veavaba MRAM
tehnoloogia.
Arenduse ajalugu II
2005
Jaanuar - Cypress demonstreerib MRAMi, kasutades NVE patenti.
Märts - Cypress loobub MRAM’i arendusest ja müüb enda MRAMi
arendusosakonna maha. Põhjenduseks toodi, et nad arvavad, et
MRAM jääb igavesti nissitooteks ja ei suuda SRAMi asendada.
Juuni - Honeywell avaldas 1- MBit’ise 0.15 mikromeetrise
tehnoloogiat kasutava MRAMi spetsifikatsiooni.
August – suudeti luua 2 GHz kiirusega MRAM tehnoloogia.
November - Renesas Technology ja Grandis teevad koostööd, et
arendada välja of 65 nm tenoloogiaga MRAM.
Detsember – Sony teatas esimesest laboratooriumis toodetud Spin
torque transfer tehnoloogial MRAMist, millega saavutati oluline
voolutarbimise kokkuhoid ja mille tõttu suudeti mälu-rakud
mõõtmetelt veelgi väiksemaks teha.
Detsember – Freescale Semiconductor teavitab avalikkust MRAMist,
mis kasutab isolaatorina alumiiniumoksiidi asemel
magneesiumoksiidi. Niimoodi saavutati õhem tunnel, see aga
omakorda vähendab tarbitava voolu hulka kirjutamistsükli ajal.
Mälust lugemine
Lugem mäluelemendist saadakse kätte mõõtes
mäluelementi läbiva elektritakistuse suurust.
Mälu elementi antakse sisse vool ja loetakse teisest otsast
voolu muutus ->leitakse mäluelemendi takistus.
Töötab magneetilise tunneleerumise printsiibil (avastatud
1975 M. Juliere poolt)
Magnettakistuslik tunneli efekt (inglisk tunnel
magnetoresistance effect = TMR) esineb ferromagnetites,
mis on eraldatud teineteisest umbes ühe nanomeetrilise
isolaatoriga
Tunneleerumine on nähtus, kus ületatakse mõni klassikalise
energia käsitlusega ületamatu energiabarjäär.
Tunneleeruva voolu takistus muutub sõltuvalt sellest, kuidas
pidi on kummalgi ferromagneetikul laenguakandjate
orientatsioon.
Ehk teisisõnu tunneleerimisel elektroni spin jäetakse samaks
ja tunneleerumise juhtivus oleneb spinnide polarisatsioonist.
Tavaliselt on takistus kõrgem anti – paralleelsel juhul
Paremal pildil demonstreeritakse magnetilise takistuse
tekkimist.
Vasakul piltidel demonstreeritakse ferromagneetikute ja
isolaatori energiavälju (ülal samasuunalised väljad, alla
vastasuunalised väljad)
Mällu kirjutamine I
MRAMi mälul on
mitmeid erinevaid
võimalikke arhitektuure
(hiljem on neist juttu)
Üldiselt käib aga kirjutamine viisil, kus mäluelement asub
kahe kirjutusliini ristumiskohas nende vahel.
Kui vool lastakse läbi juhtmete, siis indutseeritakse nende
ristumiskohas mäluelemendis magnetväli.
Elemendi kirjutatav pool registreerib selle magnetvälja
muutuse üles.
Kirjutamise üheks põhiprobleemiks on see, et kuidas vältida
kirjutamisel valede mäluelementide (joonisel rohelised ja
sinised) üle kirjutamist, sellel ajal kui kirjutatakse hoopiski
mõnda muusse mäluelementi (joonisel punane).
Mällu kirjutamine II
Alloleval pildil on näidatud, kuidas toimub mäluelementi 1
või 0 kirjutamine. Nimelt sõnaliin(WL) tõstatakse kõrgeks ja
bitiliini(BL) teel antakse biti väärtus.
Pildil kujutatud kujund on matemaatikas tuntud nime all
astroid ja tema matemaatiline analüütiline avaldis on
alljärgnev:
2/3
Hx
+
Hy
2/3
2/3
= Hi
Kus Hx ja Hy on
magnetelemendi x ja y väli
ja Hi on anisotroopia väli
eeldatavalt ühe-domeenses
magnetelemendis
Ristumispunktiga mälu arhitektuur
+ õhukese kile diood
Kompaktne ristumispunktiga mälu struktuur – kus igal
mälurakk on varustatud lisaks õhukese kilefilm dioodiga.
Diood hoolitseb selle eest, et takistada voolu valel ajal
valesse rakku tungimast.
Lugemisoperatsioon käib nii, et rakk valitakse välja
maandades ühe ‘sõna’ liini, kõik teised sõnaliinid on sel
hetkel lülitatud kõrgele väärtusele. Nii tagatsakse see, et
ainult üks mälurakk juhib voolu ja seda voolu me
mõõdamegi.
Diood peab asuma liini peal, mis kannab suurt voolu
(mitmed milliamprid). Õnnetuseks aga pole siiamaani
suudetud luua õhukeste kilede meetodil dioode kõrge
juhtivusega metall juhtmete peale, olles sealjuures veel
väikese pindalaga. Seepärast pole siiani seda väga
atraktiivset arhitektuuri veel siiani edukalt teostada
suudetud.
Ristumispunktiga mälu arhitektuur + õhukese kile diood
Ristumispunktiga mälu arhitektuur,
kus õhukese kile dioodist on loobutud.
Ristumispunktiga mälu struktuuri on võimalik
teostada ka ilma kilefilm dioodita.
Kirjutamistsüklis peavad sellel juhul olema
kõrged takistuse väärtused, et vältida
kirjutusvigu.
Lugemistsükli ajal on signaal nõrk, kuna takistus
on suur ja selle arhitektuuriga esineb ka voolu
kadu teistesse mälurakukestesse.
Selle arhitekruuri puhul saavutatakse aga
endiselt suur mälurakkude tihedus pindala ühiku
kohta.
Selle arhitektuuri põhimõtteline eelis eelmise ees
on aga võimalus kuhjata mäluelemente teineteise
peale, kuna mäluelemendi alusmaterjal ei ole
enam mäluraku osa.
Ristumispunktiga mälu arhitektuur ilma õhukese kile dioodita
FET arhitektuur
Arhitektuuri lisatakse FET lüliti
alusmaterjalisse, et ellimineerida kõrvalist
voolu lugemist lugemistsükli ajal.
Ühe mälurakku pindala on põhimõtteliselt
kahekordistunud, kuna FET lüliti nõuab
lisaühendusi.
Töökiirus on kiire, kuna selles
konstruktsioonis on piisavalt palju
silikoonpiirkonda mälurakus, et edukalt
jooksutada kiirjuhtivat FET lülitit.
FET arhitektuur
Mäluraku ehitus I
Kõige lihtsamalt öeldes moodustub üks mälu
element kahest ferromagneetikust ja isolaatorist
nende vahel. Vähemalt nii oli see MRAMi
sünniaegu. Selle struktuuri puuduseks oli aga
see, et fikseeritud magnetkihi (sinine) magnetväli
võis muutuda vastupidiseks mõjutatuna vabast
magnetkihist (punane)
Mäluraku ehitus II
Sellest probleemist
ülesaamiseks loome me
fikseeritud kihi alla ühe
antiferromagneetiku, kes
tasakaalustab fikseeritud
kihi soovi muuta enda
magnetvälja suunda
sõltuvalt juhitavast
punasest kihist.
Mäluraku ehitus III
Eelmisel slaidil lisatud
antiferromagneetik tekitatab
nihke magnetväljas. Selle nihke
ellimineerimiseks asendame
lihtsa fikseeritud kihi
sünteetilise
antiferromagneetilise kihiga,
mis koosneb kahest
ferromagneetilisest kihist, mis
on antiferromagneetiliselt
kokku haagitud läbi Ruteeniumi
kihi. Ruteenium on paksusega kuni
10 öngstromi ja ta vahendab kahe
ferromagneetiku magnetmomente
vastassuundades.
Mäluraku ehitus IV
Motorolla patendeeritud
uusim mäluelemendi
ehitus, kus ka
magneetiliselt vaba kiht
on antiferromagneetiliselt
Ruteeniumiga ühendatud.
Selline arhitektuur
vähendab välise ja
kõrvalise magnetvälja
mõju mälu elemendile.
MRAMi puudutavate füüsikaliste
omaduste kokkuvõte.
Kõrge magnettakistus (TMR)
EELIS
Kõrge takistus
EELIS
Kontrollitav takistus
EELIS
Nõrk temperatuuritundlikkus
EELIS
Kõrge TMR puhul võimalik mäluelemendi
suurust vähendada
EELIS
Suurema pinge puhul TMR väheneb
PUUDUS
--- --- Selgitus ülal oleva informatsiooni kohta --- --Kõrge magnettakistus on oluline, et saavutada kõrget signaali väärtus
mäluelemendist, eriti kui tahtakse kiiresti lugemeid saada.
Kiire lugemi saamiseks on vaja magneetilise tunneli kõrget takistust, seda
saavutatakse viimase õhukese paksusega. Kusjuures takistust saab mõningal
määral juhtida viimase paksust muutes.
Kuna magnettakistus ei muutu temperatuurist(alles Curie punkti ~500’ C
juures hakkab muutuma), siis on inseneridel väga mugav luua mäluseadmeid
töötama ka ekstreemtemperatuuride jaoks.
See, et pinge väheneb suurema TMRi juures on halb justnimelt mäluelemendi
väärtuse lugemise seisukohalt.
Üks näide paremate omadustega materjalide (e.
kõrgema TMR väärtusega materjalide) loomisel
ajaskaalas 1995- 2005
Võrdlus teiste mälu liikidega
Boldis oleva näitaja suhtes on MRAMil eelis – MRAMil on
olematu andmete uuendamiseks vaja minev energiakulu,
lõpmatu arv kirjutamise võimalus mäluelementi, madal
kirjutamise energiakulu võrreldes Flash mäluga.
Freescale 4MBit mälu - ülevaade
2006 suvi tuli turule üks esimesi MRAM kiipe
MR2A16A
MR2A16A on 4,194,304-bit magnettakistuslik mälu
(MRAM) Ta mälu on jaotatud 262,144 ritta, igas
reas 16 bitti. MR2A16A on varustatud chip enable
(E*), write enable (W*), ja output enable (G*)
viikidega, lubades piisavalt süsteemi disainimise
vabadust ilma bus’sita. Kuna MR2A16A on eraldi
byte-enable kontrollid (LB* and UB*), siis eraldi
baite saab lugeda ja kirjutada.
Eraldi 3.3-V toite liin.
Töötab temperatuuril (0°C - 70°C)
Sümmeetriline kiire lugemine ja kirjutus kiire ja
kiire access time (35ns)
Paindlik andme liini kontroll - 8 bitti või 16 bitti.
Võrdsed aadressi liini ja chip-enable acces times.
Kõik sisendid väljundid on TTL loogikaga ühilduvad
Andmete kadumise puudumine garanteeritud 10
aasta jooksul.
Alatest kogusest 1000 on ühe MRAMi hind 24.99$
Freescale 4MBit mälu - biti
operatsioonid
MR2A16A Spetsifikatsiooni kirjeldus:
Kiibil on ühebitised rakukesed, mis sisaldavad üht tranistorit ja ühte magnetmälu
elementi(inglisk MTJ) . MTJ on terve MRAMi süda. Ta on loodud väga õhukese
alumiiniumoksiidi dielektrikust kihi asetamisel kahe ferromagneetiku kihi vahele.
Kummalgi ferromagneetiku kihil on magneetiline polaarsus. Ülemist magneetilist kihti
nimetatakse vabaks kihiks (free layer), kuna sellele kihile on antud vabadus vahetada
polaarsust ja alumist magnetkihti kutsutakse fikseeritud kihiks. (fixed layer)
Vaba kihi polaarsusega on määratakse, et kas bit on väärtusega “0” või “1”. Juhul kui
vaba kihi ja fikseeritud kihi polaarsus on ühesuunaline, siis läbi MTJ on madal. Ja juhul
kui nad on vastassuunalised, siis takistus läbi MTJi on kõrge väärtusega. Takistuse
väärtus määrab ära, kas mälu bitti loetakse nulli või ühena.
Freescale 4MBit mälu – mäluelemendi
elektirline ühendusskeem
Kirjutamistsükli ajal vaba
kihi polaarsust muudetakse
vaskliinide abil, mis
jooksevad ristisuunas ülal
ja allpool MTJ elementi.
Vool, mis antakse
vaskliinidesse indutseerib
magnetvälja, mis muudab
MTJ vaba kihi(free layer)
polaarsust.
Atraktiivne sõjanduses
MRAM on äratanud tähelepanu
sõjatööstuses
• Radioaktiivsed tuumaraketid
• Tuuma-allveelaevad
Sõjatööstus oligi esimene MRAMi
tarbija (HoneWelli MRAM kiibid)
Miks? MRAM on radioaktiivsuskindel!
Võimalikud kasutusvaldkonnad?
Astronautika <- radioaktiivsuskindel
Digitaalkaamerad
Notebooks
Smart Cards
Mobiiltelefonid, iPODid
PC’des HDD asendaja – võimaldab hetkelist OS booti!!! Ehk
Windows käivituks millisekundite jooksul.
Ptareiga varustatud SRAM asendaja <- pikem tööaeg
Andmeid logivad mälud (black box)
Personal Life Recorder – utoopiline audiovideo salvesti
inimese kehas küljes, mis salvestab kõik inimese eluajal
kogetu. MRAM teeb selle võimalikuks tänu sellele, et MRAMi
eeldatav andmemaht ruumalaühiku kohta on ligi 400 korda
tihedam kui seni maailma kõige tihedama (high density)
HDD oma.
Turuanalüüs
MRAMi kohta on võetud sadu patente. Näiteks ühel
praegusel turuliidril, Freescale’il on 100 kehtivat patenti.
Riskikapitalistid ja fondid hindavad MRAMi väga kõrgelt –
investeeringud on suured. Samas on investeeringud
pikaajalised, sest MRAM peaks alles tõelist tulu hakkama
tootma >2010 aastatel. Keskmine VC (Venture Capital =
riskikapital) fond tahab tavaliselt aga tulemust näha juba 34 aasta jooksul.
Hetkel tegeleb selle aktiivse arendamisega keskeltläbi 20
firmat.
“Forbse” analüütik ennustab MRAMile 2008 aastal 3.8
miljardit $ ja 2011 aastal 12.9 miljardit $ turgu.
MRAMi võimalikud arenduses
olevad konkurendid I
On ka teisi uusi võimalikke tehnoloogiaid, mis
võivad MRAMi asemel õitsele puhkeda, teised
neist jälle MRAMi kasutusvõimalusi täiendada.
Holograafiline talletus – kasutab laserkiirt
andmete salvestamiseks. Andmed kirjutatakse
laserkiirega kristallide ja fotopolümeeride sisse.
Erinevalt DVDst kasutatakse andmete
talletamiseks aine ruumala, mitte ainult pindalat.
Holograafilise mälu suureks puuduseks on see, et
andmed on sinna ainult ühekordselt kirjutatavad
– kirjutatud andmeid ei saa enam kustutada ega
üle kirjutada.
Hetkel on käsil projekt, kus luuaks terabaidi (1TB
~ 1000 GB) suurust holograafilist mälu.
MRAMi võimalikud arenduses
olevad konkurendid II
Veel üks olulisim võimalik MRAMi konkurent on FRAM
(ferroelektriline RAM), mis on oma olemuselt sarnane
MRAMiga - on korduvkirjutatav, toite eemaldamisel jääb
informatsioon mällu jne.
FRAMi eelised praegult turul oleva Flash mälu ees on –
väiksem voolu tarbimine, kiirem kirjutuskiirus, palju
suurem maksimaalne mälupesasse kirjutusarv (10e 16 3.3V
seadme puhul)
FRAM mälukiibid on juba 1990 aastatest turul erinevates
seadmetes saadaval, kuid siiamaani pole ta õide puhkenud
eelkõige põhjusel, et FRAM tehnolooiga peab minema
väiksemaks (vaja on suuremat andmete tihedust rummala
ühiku kohta)
Allikad
PARIM LINK! (eriti artikkite lingi alla kogutud artiklid on seal igati
OK!)
http://www.mram-info.com/
TEINE PARIM LINK!
http://en.wikipedia.org/wiki/MRAM
http://www.research.ibm.com/journal/rd/501/gallagher.html
http://www-ipcms.u-strasbg.fr/gmi/recherche/magn/ox_gmr/gmruk.html
http://www.forbes.com/technology/feeds/general/2004/09/07/gene
ralcomtex_2004_09_07_up_0000-3974-bc-us-nanostorage.html?partner=yahoo&referrer=
http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code
=MR2A16A&nodeId=015424
Tänan Teid kuulamast