Магниторезистивная память (MRAM) не только возможна, но и уже существует в коммерческих продуктах.

Принцип работы

MRAM использует гигантский магниторезистивный эффект (GMR или TMR): информация хранится в виде направления намагниченности ферромагнитных слоев в ячейке, разделённых диэлектриком. Сопротивление ячейки меняется в зависимости от параллельности или антипараллельности магнитных моментов, что позволяет считывать данные без разрушения.

Преимущества

• Энергонезависимость: данные сохраняются без питания десятилетиями.​

• Высокая скорость: сравнима с SRAM (десятки наносекунд на запись).

• Неограниченные циклы перезаписи (10^15+).​

Недостатки и статус

Проблемы с записью (высокое энергопотребление, масштабирование) решены в STT-MRAM (spin-transfer torque). Компания Everspin производит чипы объёмом до 256 Мбит с 2020-х; Samsung и TSMC интегрируют в 2025–2026 гг. для серверов и аэрокосмики.

Вот краткий пересказ доклада "Состояние технологии MRAM" с сайта НАСА:  https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20140000668/downloads/20140000668.pdf

1. • MRAM использует спин электрона для хранения данных, а не электрический заряд.
2. • Основана на магнитном туннельном переходе (MTJ).
3. • MRAM является энергонезависимой памятью, как Flash, FeRAM и EEPROM.

Технология MRAM

1. • Память на магнитных сердечниках была первой формой магнитной памяти в 1950-х годах.
2. • Тонкопленочный MRAM использует магнитосопротивление для хранения данных.
3. • Современные MRAM основаны на туннельном магнитосопротивлении и магнитных туннельных переходах.

Рынок и продукты MRAM

1. • Обзор рынка MRAM и его основных игроков.
2. • Everspin предлагает продукты с переключаемым режимом работы и ST-MRAM.
3. • Honeywell и Aeroflex также являются ключевыми поставщиками MRAM.

Надежность MRAM

1. • Испытания на выносливость и сохранение данных.
2. • Влияние рассеянных магнитных полей и запись незначительных ошибок.
3. • Тестирование JPL Schmoo и радиационное воздействие.

Сравнение с другими NVM

1. • Сравнение MRAM с другими энергонезависимыми памятью, такими как Flash и EEPROM.

Наследие полетов

1. • Примеры использования MRAM в космических миссиях, таких как TAMU на борту Sprite-Sat и M-Cubed.

Заключение

1. • Текущая технология MRAM, toggle MRAM, будет использоваться в космических системах в ближайшие годы.
2. • ST-MRAM имеет потенциал, но требует дальнейшего тестирования и демонстрации надежности.

Магнитосопротивление и ранние MRAM

1. • В 1980-х годах появились первые MRAM на основе тонкопленочных ферромагнитных материалов.
2. • Эти MRAM использовали анизотропное магнитосопротивление (АМС) для изменения сопротивления.
3. • AMR-MRAM были разработаны Honeywell, NVE и Университетом штата Айова.

Гигантское магнитосопротивление (GMR)

1. • В конце 1980-х годов исследователи начали экспериментировать с многослойными структурами.
2. • GMR обеспечивало изменение сопротивления до 50%, что значительно улучшило AMR.
3. • Нобелевская премия по физике 2007 года была присуждена Альберту Ферту и Петеру Грюнбергу за открытие GMR.

Колоссальное магнитосопротивление (CMR)

1. • CMR обеспечивает изменения сопротивления более 100% под действием магнитных полей.
2. • Эффект был обнаружен в 1950-х годах и до сих пор не до конца изучен.
3. • Из-за своей природы и требований к экзотическим материалам CMR нашел мало применения в памяти.

Туннельное магнитосопротивление (TMR) и современные MRAM

1. • Современные MRAM основаны на туннельном магнитосопротивлении (TMR).
2. • TMR проявляется в магнитных туннельных переходах (MTJ), состоящих из двух ферромагнитных слоев и тонкого туннельного слоя.
3. • MTJ могут иметь параллельное состояние с низким сопротивлением и антипараллельное состояние с высоким сопротивлением.

Рынок и продукты MRAM

1. • Everspin - единственная компания, успешно внедрившая MRAM в производство.
2. • Everspin владеет почти 100% рынка MRAM и продала более 8 миллионов устройств с 2008 года.
3. • MRAM от Everspin используются в системах обработки данных, автомобилестроении и авионике.
4. • Другие компании, такие как Aeroflex и Honeywell, выводят MRAM на космический рынок, лицензируя элементы Everspin.

История и развитие MRAM Everspin

1. • В 2004 году Everspin выпустила MRAM с циклом считывания 35 нс на 180-нм КМОП-матрице.
2. • В 2012 году компания представила 16-Мб MRAM на 130-нм КМОП-матрице.

Переключаемая MRAM

1. • Использует элементы памяти на одном транзисторе/одном MTJ с архитектурой SRAM.
2. • Работает медленнее SRAM, но имеет более сложную структуру MTJ.
3. • Плотность ограничена 16 Мб из-за сложного программирования.

ST-MRAM с вращающим моментом

1. • Имеет архитектуру, подобную DDR3 SDRAM, и соответствует стандарту JEDEC DDR3.
2. • Обеспечивает высокую плотность и производительность, масштабируется до 20 нм.
3. • Использует ток через MTJ для изменения поляризации, снижая ток записи.

Устройства MRAM Everspin

1. • Предлагаются с параллельным/SRAM-подобным интерфейсом и SPI.
2. • Производятся на заводе Everspin в Чандлере, упаковка и тестирование в Тяньцзине и Куала-Лумпуре.
3. • Работают при напряжении 3,3 В, доступны в различных температурных диапазонах.

Продукция Honeywell

1. • Монолитные MRAM емкостью 1 Мб и 16 Мб для военного применения.
2. • Изготовлены на 150-нм SOI-процессе Honeywell S150.
3. • Используют магнитное экранирование из Mu-металла.

Сравнение Honeywell и Aeroflex

1. • Honeywell использует Mu-металл для экранирования, Aeroflex размещает экран на поверхности матрицы.
2. • Оба поддерживают однобитовый ECC, Aeroflex имеет флаг MBE для обнаружения многоразрядных ошибок.

Надежность MRAM

1. • Включает целостность данных, упаковку, надежность CMOS.
2. • Производители, такие как Everspin, Honeywell/Aeroflex, обеспечивают высокую надежность.

Выносливость MRAM

1. • MRAM на базе MTJ имеет практически неограниченный срок службы.
2. • Испытания показали отсутствие сбоев после 10 000 циклов записи/чтения.

Хранение данных

1. • В MRAM сохраняется магнитная поляризация, а не электрический заряд.
2. • Тепловое переключение битов зависит от энергетического барьера и температуры.
3. • Тесты показали отсутствие ошибок при высоких температурах.

Случайные магнитные поля

1. • MRAM подвержены сбоям из-за рассеянных магнитных полей.
2. • Допустимый уровень SMF составляет 50-60 единиц измерения.
3. • Расстояние является лучшей защитой от SMF.

Запись незначительных ошибок и ECC

1. • "Мягкие" ошибки возникают из-за слабой настройки, помех, излучения или тепловых эффектов.
2. • ECC-коды помогают обнаруживать и исправлять такие ошибки.

Мягкие ошибки в MRAM

1. • Зависимое от температуры самопроизвольное переключение битов имеет низкую частоту ошибок.
2. • Программная ошибка записи (WSE) более вероятна и вызывает помехи в соседних ячейках.
3. • WSE ухудшается при масштабировании и увеличении магнитных полей.

Тестирование JPL Schmoo

1. • Проводилось тестирование на напряжение и температуру для Everspin MR4A16BCYS35.
2. • Ошибки в битах наблюдались при напряжениях 2,7 В, 3,7 В и 3,9 В, но исчезали при 85°C.

Радиационное воздействие

1. • Элементы памяти MRAM на базе MTJ невосприимчивы к радиации.
2. • CMOS-схема управления может быть подвержена радиационным эффектам.
3. • Everspin, Honeywell и Aeroflex предлагают устройства с высокой радиационной стойкостью.