La memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio (MRAM - ing. magnetorresistive random-access memory ) es un dispositivo de almacenamiento de acceso aleatorio basado en válvulas giratorias . Almacena información utilizando momentos magnéticos en lugar de cargas eléctricas .
La ventaja de este tipo de memoria es la no volatilidad , es decir, la capacidad de retener información registrada (por ejemplo, contextos de programa de tareas en el sistema y el estado de todo el sistema) en ausencia de energía externa.
La tecnología de memoria magnetorresistiva ha estado en desarrollo desde la década de 1990. En comparación con la creciente producción de otros tipos de memoria para computadoras, especialmente la memoria flash y la memoria DRAM , aún no está ampliamente disponible en el mercado. Sin embargo, sus defensores creen que, debido a una serie de ventajas, puede reemplazar otros tipos de memoria de computadora y convertirse en una base verdaderamente "universal" para los dispositivos de almacenamiento. Actualmente se producen variantes modernas de memoria magnetorresistiva STT-MRAM ( torque de transferencia de espín MRAM , registro de datos mediante transferencia de momento de espín) [1] y SOT-MRAM prometedor (torque MRAM de órbita de espín, registro de datos mediante momento de rotación de espín-órbita) [ 2] [3] .
Desde 2013, la producción en masa de microchips y celdas de memoria MRAM integradas en Rusia se lleva a cabo en Moscú en la planta de Crocus Nanoelectronics. [cuatro]
A diferencia de otros tipos de dispositivos de almacenamiento, la información en la memoria magnetorresistiva no se almacena en forma de cargas o corrientes eléctricas, sino en elementos de memoria magnética . Los elementos magnéticos están formados por dos capas ferromagnéticas separadas por una fina capa dieléctrica . Una de las capas es un imán permanente , magnetizado en cierta dirección, y la magnetización de la otra capa cambia bajo la influencia de un campo externo. El dispositivo de memoria está organizado según el principio de una cuadrícula que consta de "celdas" separadas que contienen un elemento de memoria y un transistor.
La lectura de información se realiza midiendo la resistencia eléctrica de la celda. Una celda individual (generalmente) se selecciona energizando su transistor correspondiente , que suministra corriente desde la fuente de alimentación a través de la celda de memoria al terreno común del chip. Debido al efecto de la magnetorresistencia de efecto túnel , la resistencia eléctrica de la celda varía según la orientación mutua de las magnetizaciones en las capas. Por la magnitud de la corriente que fluye, se puede determinar la resistencia de una celda dada y, como consecuencia, la polaridad de la capa reescribible. Normalmente, la misma orientación de magnetización en las capas de un elemento se interpreta como "0", mientras que la dirección opuesta de magnetización de las capas, caracterizada por una mayor resistencia, se interpreta como "1".
La información se puede escribir en las celdas usando una variedad de métodos. En el caso más simple, cada celda se encuentra entre dos líneas de registro colocadas en ángulo recto entre sí, una arriba y otra debajo de la celda. Cuando pasa una corriente a través de ellos, se induce un campo magnético en el punto de intersección de las líneas de escritura , que afecta a la capa reescribible. El mismo método de grabación se usó en la memoria de núcleo magnético, que se usó en la década de 1960. Este método requiere bastante corriente para generar el campo, y esto los hace poco adecuados para dispositivos portátiles donde el bajo consumo de energía es importante, esta es una de las principales desventajas de MRAM. Además, con una disminución en el tamaño de los chips, llegará el momento en que el campo inducido se superpondrá a las celdas vecinas en un área pequeña, lo que conducirá a posibles errores de escritura. Por ello, en este tipo de memoria MRAM se deben utilizar celdas de un tamaño suficientemente grande. Una solución experimental a este problema fue el uso de dominios circulares leídos y escritos por el efecto de reluctancia gigante , pero ya no se están realizando investigaciones en esta dirección.
Otro enfoque, el cambio de modo, utiliza la grabación de varios pasos con una celda multicapa modificada. La celda se modifica para contener un antiferroimán artificial donde la orientación magnética alterna hacia adelante y hacia atrás a lo largo de la superficie, con ambas capas (adheridas y libres) compuestas de pilas multicapa aisladas por una delgada "capa de unión". Las capas resultantes tienen solo dos estados estables, que se pueden cambiar de uno a otro cronometrando la corriente de escritura en las dos líneas, por lo que una se retrasa un poco, por lo que "rota" el campo. Cualquier voltaje menor que el nivel de escritura completo en realidad aumenta su resistencia a la conmutación. Esto significa que las celdas ubicadas a lo largo de una de las líneas de grabación no estarán sujetas al efecto de la inversión de magnetización involuntaria, lo que permite utilizar tamaños de celda más pequeños.
La nueva tecnología de transferencia de par de espín (spin-torque-transfer-STT) o conmutación de transferencia de espín utiliza electrones con un estado de espín dado ("polarizado"). Al pasar a través de una capa ferromagnética libre, su par se transfiere a la magnetización de esta capa y la reorienta. Esto reduce la cantidad de corriente necesaria para escribir información en una celda de memoria, y el consumo de lectura y escritura se vuelve aproximadamente el mismo. La tecnología STT debería resolver los problemas que enfrentará la tecnología MRAM "clásica" con el aumento de la densidad de celdas de memoria y el correspondiente aumento en la corriente requerida para la grabación. Por lo tanto, la tecnología STT será relevante cuando se utilice un proceso de 65 nm o menos. La desventaja es que STT actualmente necesita más corriente para hacer que el transistor cambie que la MRAM convencional, lo que significa que se requiere un transistor grande y la necesidad de mantener la coherencia rotacional . En general, a pesar de esto, STT requiere mucha menos corriente de escritura que la MRAM regular o de conmutación.
Otras formas posibles de desarrollar tecnología de memoria magnetorresistiva son la tecnología de conmutación térmica (TAS-Thermal Assisted Switching), en la que durante el proceso de escritura la unión del túnel magnético se calienta rápidamente (como PRAM) y permanece estable a una temperatura más baja el resto del tiempo. así como la tecnología de transporte vertical (VMRAM-vertical transport MRAM), en la que la corriente que pasa a través de las columnas verticales cambia la orientación magnética, y tal disposición geométrica de las celdas de memoria reduce el problema de la inversión aleatoria de la magnetización y, en consecuencia, puede aumentar la posible densidad celular.
El costo de producción de chips de memoria depende principalmente de la densidad de ubicación de las celdas individuales en él. Cuanto menor sea el tamaño de una celda, más de ellas se pueden colocar en un chip y, en consecuencia, se puede producir una mayor cantidad de chips a la vez a partir de una oblea de silicio. Esto mejora el rendimiento de buenos productos y reduce el costo de fabricación de microcircuitos.
En la memoria DRAM , los condensadores se utilizan como elementos de memoria , los conductores transportan corriente hacia y desde ellos, y los transistores de control son una celda de tipo "1T / 1C". El condensador consta de dos pequeñas placas de metal separadas por una fina capa dieléctrica, puede hacerse tan pequeño como lo permita el desarrollo actual del proceso tecnológico. La memoria DRAM tiene la mayor densidad de celdas de cualquier tipo de memoria actualmente disponible, en comparación con SRAM , por ejemplo . La mayoría de los chips de memoria DRAM modernos tienen un tamaño de celda de 32 por 20 nm. Esto la convierte en la más económica, por lo que se utiliza como RAM principal de los ordenadores.
Una celda de memoria MRAM tiene un diseño similar a una celda DRAM, aunque a veces no utiliza un transistor para escribir información. Sin embargo, a medida que disminuyen las dimensiones lineales de los elementos de la MRAM, existe la posibilidad de superposición de celdas adyacentes por un campo magnético externo y grabación de datos falsos (el efecto de la selección a medias o violaciones de grabación). Debido a este obstáculo, el tamaño de celda en la tecnología MRAM convencional está limitado por debajo de 180 nm [5] . Usando la tecnología MRAM de modo conmutado, se puede lograr un tamaño de celda mucho más pequeño antes de que el efecto de selección media se convierta en un problema, alrededor de 90 nm [6] . Estas son características lo suficientemente buenas como para introducirlas en la producción, y hay perspectivas de lograr un tamaño de memoria magnetorresistiva de 65 nm o menos.
Solo una tecnología de memoria moderna puede competir en velocidad con la memoria magnetorresistiva. Esta es la memoria estática o SRAM . Las celdas de memoria SRAM son flip- flops que almacenan uno de dos estados mientras se les suministre energía. Cada flip-flop consta de varios transistores. Dado que los transistores tienen un consumo de energía muy bajo, su tiempo de conmutación es muy corto. Pero debido a que una celda de memoria SRAM se compone de múltiples transistores, generalmente cuatro o seis, su área es más grande que la de una celda de memoria tipo DRAM. Esto hace que la SRAM sea más costosa, por lo que solo se usa en pequeñas cantidades, como memoria particularmente rápida, como la memoria caché y los registros del procesador en la mayoría de los modelos modernos de unidades centrales de procesamiento . Tampoco debemos olvidar que incluso ahora los procesadores crean varios niveles de memoria caché con diferentes velocidades y tamaños.
Dado que los condensadores utilizados en los chips DRAM pierden su carga con el tiempo, los chips de memoria que los utilizan deben actualizar periódicamente el contenido de todas las celdas, leyendo cada celda y sobrescribiendo su contenido. Esto requiere una fuente de alimentación constante, por lo que tan pronto como se apaga la computadora, la memoria DRAM pierde toda la información almacenada. Cuanto más pequeña es la celda de memoria, más ciclos de actualización se necesitan y, como resultado, aumenta el consumo de energía.
A diferencia de DRAM, MRAM no requiere una actualización constante. Esto significa no solo que la memoria retiene la información escrita en ella cuando se apaga la alimentación, sino también que en ausencia de lecturas o escrituras, no se consume energía en absoluto. Aunque, en teoría, MRAM debería consumir más energía que DRAM al leer información, en la práctica, el consumo de energía de lectura es casi el mismo. Sin embargo, el proceso de escritura requiere de 3 a 8 veces más energía que la lectura, esta energía se gasta en cambiar el campo magnético. Aunque la cantidad exacta de energía ahorrada depende de la naturaleza del trabajo (las escrituras más frecuentes requerirán más energía), en general, se espera un menor consumo de energía (hasta un 99 % menos) en comparación con DRAM . Con la tecnología STT MRAM, el consumo de energía para escribir y leer es casi el mismo y el consumo de energía general es aún menor.
Se puede comparar la memoria magnetorresistiva con otro tipo de memoria de la competencia, la memoria flash . Al igual que la memoria magnetorresistiva, la memoria flash no es volátil. La memoria flash no pierde información cuando se apaga la alimentación, lo que la hace muy conveniente para reemplazar discos duros en dispositivos portátiles como reproductores digitales o cámaras digitales. Al leer información, la memoria flash y la MRAM son casi iguales en términos de consumo de energía. Sin embargo, para escribir información en chips de memoria flash , se requiere un pulso de voltaje potente (alrededor de 10 V), que se acumula después de un cierto tiempo cuando se bombea la carga; esto requiere mucha energía y tiempo. Además, el pulso de corriente destruye físicamente las celdas de la memoria flash, y la información en la memoria flash solo se puede escribir un número limitado de veces antes de que falle la celda de la memoria.
A diferencia de la memoria flash , los chips MRAM requieren un poco más de energía para escribir que para leer. Pero al mismo tiempo, no es necesario aumentar el voltaje y no se requiere bombeo de carga. Esto conduce a operaciones más rápidas, menor consumo de energía y sin límite de vida. Se espera que la memoria flash sea el primer tipo de chip de memoria en ser eventualmente reemplazado por MRAM.
La velocidad de la memoria DRAM está limitada por la velocidad a la que se puede drenar (para leer) o acumular (para escribir) la carga almacenada en las celdas. El funcionamiento de MRAM se basa en la medición de tensión, que es preferible al funcionamiento con corrientes, ya que los transitorios son más rápidos. Investigadores del instituto belga IMEC han demostrado dispositivos SAT-MRAM con tiempos de acceso del orden de 0,2 ns (210 picosegundos) [7] , que es notablemente mejor que incluso las DRAM y SRAM más avanzadas. Las ventajas en comparación con la memoria Flash son más significativas: su duración de lectura es casi la misma, pero la duración de escritura en MRAM es decenas de miles de veces menor.
La memoria magnetorresistiva moderna es más rápida que la memoria SRAM, es bastante interesante en esta capacidad. Tiene una mayor densidad, y los diseñadores de CPU podrían elegir en el futuro entre una mayor cantidad de MRAM más lenta y una menor cantidad de SRAM más rápida para el uso de caché .
La memoria magnetorresistiva tiene una velocidad comparable a la memoria SRAM , la misma densidad de celdas, pero menor consumo de energía que la memoria DRAM , es más rápida y no sufre degradación con el tiempo en comparación con la memoria flash . Es esta combinación de propiedades lo que puede convertirlo en una "memoria universal" capaz de reemplazar SRAM, DRAM y EEPROM y Flash. Esto explica la gran cantidad de estudios dirigidos a su desarrollo.
Por supuesto, por el momento MRAM aún no está listo para un uso generalizado. La enorme demanda en el mercado de la memoria flash está obligando a los fabricantes a introducir agresivamente nuevos procesos de fabricación. Las fábricas más recientes, como los chips de memoria flash de 16 GB de Samsung, utilizan el proceso de 50 nm . Las líneas de producción más antiguas producen chips de memoria DRAM DDR2 utilizando la tecnología de proceso de 90nm de la generación anterior.
La memoria magnetorresistiva todavía está en gran parte "en desarrollo" y se fabrica utilizando procesos de fabricación obsoletos. Dado que la demanda de memoria flash actualmente supera la oferta, una empresa tardará mucho en decidir convertir una de sus plantas de fabricación de última generación para fabricar chips de memoria magnetorresistivos. Pero incluso en este caso, el diseño de la memoria magnetorresistiva actualmente pierde frente a la memoria flash en términos de tamaño de celda, incluso cuando se utilizan los mismos procesos tecnológicos.
Otra memoria de alta velocidad que se encuentra en desarrollo activo es Antifuse ROM. Al ser programable una vez, es adecuado solo para programas y datos inmutables, pero en términos de velocidad también permite operar en la frecuencia inmediata del procesador, similar a SRAM y MRAM. Antifuse ROM se está implementando activamente en controladores y FPGA, donde el producto de software es parte integral del hardware. Las celdas ROM Antifuse son potencialmente más compactas, tecnológicamente más avanzadas y más baratas que las celdas MRAM, pero esta perspectiva tampoco se revela, al igual que la MRAM. Teniendo en cuenta que muchos usuarios suelen utilizar unidades flash para archivar, por ejemplo, fotografías, para las que la memoria flash no está destinada durante muchos años debido a problemas de muchos años de retención de carga, es decir, en realidad utilizan la memoria flash como ROM, en el mercado de consumo Antifuse La ROM, al ser una especie de sucesora del CD-R, también puede contar con "compartir el mercado" con la MRAM.
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