MRAM – järgmise põlvkonna mäluseade

1. MRAM – järgmise põlvkonna mäluseade Kristo Nikkolo

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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

6. Paremal pildil demonstreeritakse magnetilise takistuse tekkimist. • Vasakul piltidel demonstreeritakse ferromagneetikute ja isolaatori energiavälju (ülal samasuunalised väljad, alla vastasuunalised väljad)

7. 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).

8. 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: Hx2/3 + Hy2/3=Hi2/3 • Kus Hx ja Hy on magnetelemendi x ja y väli ja Hi on anisotroopia väli eeldatavalt ühe-domeenses magnetelemendis

9. 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.

10. Ristumispunktiga mälu arhitektuur + õhukese kile diood

11. 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.

12. Ristumispunktiga mälu arhitektuur ilma õhukese kile dioodita

13. 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.

14. FET arhitektuur

15. 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)

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Üks näide paremate omadustega materjalide (e. kõrgema TMR väärtusega materjalide) loomisel ajaskaalas 1995- 2005

21. 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.

22. 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$

23. 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.

24. 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.

25. Atraktiivne sõjanduses • MRAM on äratanud tähelepanu sõjatööstuses • Radioaktiivsed tuumaraketid • Tuuma-allveelaevad • Sõjatööstus oligi esimene MRAMi tarbija (HoneWelli MRAM kiibid) • Miks? MRAM on radioaktiivsuskindel!

26. 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.

27. 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 3-4 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.

28. 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.

29. 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)

30. 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/gmr-uk.html • http://www.forbes.com/technology/feeds/general/2004/09/07/generalcomtex_2004_09_07_up_0000-3974-bc-us-nano-storage.html?partner=yahoo&referrer= • http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MR2A16A&nodeId=015424

31. Tänan Teid kuulamast