MRAM

MRAM ehk magnettakistuslik RAM on RAM mida on arendatud alatest 1990ndatest. MRAM salvestab andmebitte kasutades magnetlaenguid. Tüüpilised mälud nagu näiteks DRAM kasutab info salvestamiseks elektrilaenguid. Kuigi hetkel ei kasutata MRAM mälusid veel väga laialdaselt, usuvad tehnoloogia pooldajad, et kord saabub päev mil MRAM saab standardiks igal pool tänu oma paljudele eelistele.

Kirjeldus

Erinevalt tavalisest RAM tehnoloogiast ei salvesta MRAM mälu andmeid elektrilaengute abil, vaid kasutab magnetlaenguid. Lihtsaim MRAMi konfiguratsioon näeb välja selline, kus elemendid on moodustatud kahest ferromagnetilisest plaadist, millest igaüks suudab hoida magnetvälja. Neid eraldab õhuke isolatsioonikiht. Üks kahest plaadist on püsimagnet, mis on seatud kindlale polaarsusele, teise välja on võimalik muuta nii, et ta oleks vastavuses ülejäänud väljaga, et salvestada mälu.

Kõige lihtsam meetod mälust lugemiseks on saavutatud mõõtes elektritakistust elemendis. Konkreetne element valitakse (tavaliselt) pingestades seotud transistor, mis lülitab voolu toitetorustikust läbi elemendi maandamiseks. Magnetilise tunneli mõju tõttu muutub elektritakistus elemendis kahe plaadi välja orientatsiooni tõttu. Mõõtes saadud voolu saab kindlaks määrata takistuse igas konkreetses elemendis ja tänu sellele ka kirjutatava plaadi polaarsust. Tavaliselt, kui kahel plaati on sama polaarsusega, omistatakse sellele väärtus "1", samas kui kaks plaadid on vastupidiste polaarsustega on vastupanu suurem ja see tähendab "0".

Andmed kirjutatakse elementidesse kasutades erinevaid vahendeid. Kõige lihtsamal juhul jääb iga element kirjutamis ridade paari vahel täisnurga all üksteise kohal või all elemendi suhtes. Kui vool on neid läbinud, siis tekib põhjustatud magnetväli nende ühendumiskohal, mille kirjutatav plaat üles korjab. See tegevusmuster on sarnane selle põhimälusüsteemi omaga, mida kasutati laialdaselt 1960ndatel. Selline lähenemisviis eeldab üsna märkimisväärset voolu, et luua vajalik väli, seega kui tahta kasutada väikest võimsust, pole MRAM hea, see on ühtlasi ka üks MRAMi suuremaid miinuseid. Kui seadet teha suuruselt väiksemaks, siis tuleb hetk, kui indutseeritud väli kattub külgnevate lahtritega üle väikese ala, mis võib põhjustada valekirjed. See probleem, pool-valitud (või kirjutamis häire) probleem, määrab kindlad suurused seda tüüpi elementidele.

Lihtsustatud MRAM elemendi struktuur

Teine lähenemisviis, toggle režiim, kasutab multi-step kirjutamist muudetud mitmekihiliste elementidega. Lahter on modifitseeritud nii, et see sisaldaks "kunstliku antiferromagnetit", kus magnetvälja orientatsiooni edasi-tagasi üle pinna, nii et nii kinnitatud ja vaba kihid, mis koosnevad mitmekihilistest tornid isoleeritud õhuke "liidese kihiga". Saadud kihtidel on ainult kaks stabiilseteks olekut, mida saab ümber lülitada ühest teistele ajastades kirjutamise voolu kahel real nii et üks on veidi hiljem kui teine, seeläbi "pööravad" välja. Igasugune pinge mis on vähem kui täielik pinge mis on vajalik kirjutamiseks, suurendab flippimise resistensust. See tähendab, et teised elemendid mis asuvad ühe kirjutus rea liinil ei kannata pool-valiku probleemi. Seega on võimalik väiksemad elementide suurused.

Üks uuem tehnika,spin-ülekanne pöördemoment (STT) võiSpin Transfer Switching(inglise k.), kasutab keerd-joondatud ("polariseeritud") elektrone, et tekitada pöörde moment domeenil.Spetsiifiliselt, kui elektronid mis voolavad kihti peavad muutma oma pööret, siis see arendab pöördemomenti, mis kantakse lähedal olevale kihile. See vähendab voolu suurust mida on vaja, et kirjutada need elemendid, mistõttu on seda vaja umbes sama palju kui lugemis protsessi jaoks. on mure, et" klassikalist"-tüüpi MRAM elemendil on raskusi kõrge tiheduse juures kuna pinge, mis on kirjutamise ajal vajalik, see on probleem, mida STT väldib. Sel põhjusel loodavad STT pooldajad, et tehnikat hakatakse kasutama seadmete juures, mis on 65 nm ja väiksem. Negatiivne külg on see, et on vaja säilitada spin-sidusust. Üldiselt nõuab STT kirjutamiseks palju vähem voolu kui tavaline või toggle MRAM. Teadusuuringud selles valdkonnas näitavad, et STT voolu saab vähendada kuni 50 korda kasutades uut komposiitkonstruktsiooni. Samas on aga suurema kirjutamiskiiruse rakendamiseks vaja kasutada kõrgemat voolu.

Muud võimalikud seadistused sisaldavad "termiliselt abistatud üleminekud" (TAS-MRAM), mis kuumeneb kiiresti (meenutades järk-muutus mälu) magnetilise tunneli ristmiku kirjutamisprotsessi ajal ja hoiab MTJs stabiilselt külmema temperatuuri juures ülejäänud ajast; ja "vertikaalne transport MRAM" (VMRAM), mis kasutab voolu läbi vertikaalses veerus, et muuta magnetvälja orientatsiooni, geomeetriline paigutus, mis vähendab kirjutades häireprobleemi ja nii saab seda kasutada suurema tihedusega.

Ajalugu

• 1955 – töötati välja tänapäevaks juba ajalooks muutunud magnetic core memory mälutüüp, mis kasutas samal põhimõttel töötavat kirjutamis- ja lugemistsüklit kui MRAM.
• 1989 – IBM-i teadlased tegid palju olulisi avastusi 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 – toodi turule 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 sai Freescale’i standardtooteks
• Oktoober – Taiwani arendajad lõid 1-megabitise MRAM TSMC ettevõttes.
• Oktoober – Micron lõpetab MRAMi arendusprojekti teiste mälutehnoloogiate arenduse nimel.
• Detsember – TSMC, NEC, Toshiba kirjeldavad novel (novel=üks mälu tehnoloogia) MRAM mälurakke.
• Detsember – Renesas Technology arendab välja väga kiire ja veavaba MRAM-tehnoloogia.

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 niššitooteks ja ei suuda SRAMi asendada.
• Juuni – Honeywell avaldas 1-megabitisee 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 65 nm tehnoloogiaga 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.

Võrdlus

Võrreldes teiste tehnoloogiatega on MRAMil:

• 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

Kõrge magnettakistus on oluline, et saavutada kõrget signaali väärtus mäluelemendist, eriti kui tahtakse kiiresti lugemeid saada. Kiire lugemi saamiseks on vaja magnetilise 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.

Boldis oleva näitaja suhtes on MRAMil eelis – MRAMil on olematu andmete uuendamiseks vaja minev energiakulu, lõpmatu arv kirjutamise võimalus mäluelementi, madal kirjutamise energiakulu võrreldes välkmäluga.

Kasutatakse

MRAM on äratanud tähelepanu sõjatööstuses. Radioaktiivsed tuumaraketid, tuuma-allveelaevad. Sõjatööstus oligi esimene MRAMi tarbija (HoneWelli MRAM kiibid) kuna MRAM on radioaktiivsuskindel.

Veel võimalikke MRAMI kasutusalasid on:

• Astronautika <- radioaktiivsuskindel
• Digitaalkaamerad
• Notebooks
• Smart Cards
• Mobiiltelefonid, iPODid
• PC’des HDD asendaja – võimaldab hetkelist OS-i booti!!! Ehk Windows käivituks millisekundite jooksul.
• Ptareiga varustatud SRAM asendaja <- pikem tööaeg
• Andmeid logivad mälud (black box)
• Personal Life Recorder – utoopiline audio-videosalvesti 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.

Konkurendid

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 pinda. Holograafilise mälu suureks puuduseks on see, et andmed on sinna ainult ühekordselt kirjutatavad – kirjutatud andmeid ei saa enam kustutada ega üle kirjutada. Käsil on projekt, kus luuakse terabaidi (1 TB ~ 1000 GB) suurust holograafilist mälu.

Veel üks olulisim võimalik MRAMi konkurent on F-RAM (ferroelektriline RAM), mis on oma olemuselt sarnane MRAMiga – on korduvkirjutatav, toite eemaldamisel jääb informatsioon mällu jne. F-RAMi eelised praegu turul oleva välkmälu ees: väiksem voolutarve, suurem kirjutuskiirus, palju suurem maksimaalne mälupesasse kirjutusarv (10e 16 3,3V seadme puhul). F-RAM mälukiibid on juba 1990. aastatest turul erinevates seadmetes saadaval, kuid siiamaani pole ta õide puhkenud eelkõige põhjusel, et F-RAM tehnolooiga peab minema väiksemaks (vaja on suuremat andmete tihedust rummala ühiku kohta).