MRAM (Magnetoresistance Random Access Memory) jsou integrované paměťové chipy, které využívají k uložení informace magnetického pole a mají odlišný postup čtení a zápisu logického stavu. Stav bitu ukládají pomocí změny orientace magnetického pole speciální paralelní struktury feromagnetického a dielektrického materiálu, kde čtení se provádí měřením příčného elektrického odporu struktury. Odpor se mění díky jevu magnetorezistence podle uložené orientace magnetického pole při zápisu bitu.

Taková struktura paměti poskytuje většinu výhod všech dosud běžně používaných pamětí, tj. jak Flash a EEPROM, tak SRAM a DRAM. Protože je magnetické pole nezávislé na poli elektrickém, jsou MRAM paměti napěťově nezávislé, tedy udržují uloženou informaci i bez napájecího napětí, ale zároveň poskytují podobně rychlý zápis a čtení stavu jako klasické SRAM. A přesně takové 4 Mb paměti v podobě integrovaných obvodů jsou již volně na trhu díky firmě Freescale.

Základní vlastnosti

• Jedno napájecí napětí (3.3 V)
• Konvenční teplotní rozsah (0 až 70°C)
• Symetrické vysokorychlostní čtení a zápis s přístupovým časem 35 ns
• Nedestruktivní čtení (čtení buňky nemá vliv na uložený stav)
• Nositel stavu (bitu) je magnetické pole, ne náboj = nedochází k úbytku energie stavu
• Flexibilní řízení datové sběrnice - 16 nebo 8 bitů
• Automatická ochrana dat s nízkonapěťovým detektorem pro ochranu špatného zápisu
• Všechny vstupy a výstupy kompatibilní s TTL
• Plně statický provoz
• Beznapěťové držení uložených dat min. 10 let
• Počet zápisů větší než 10¹⁶
• Paměťové buňky s CMOS řízením na jednom chipu
• Velká kapacita (v současné době 4 Mb, v budoucnu poroste)

Použití

• Náhrada malých SDRAM pamětí
• Náhrada Flash a EEPROM pamětí
• Přenosná a bateriově napájená zařízení
• Mp3 přehrávače, mobilní telefony, PDA
• Zařízení s možností výpadku napájení
• DVD rekordéry, multimediální systémy
• Průmyslová zařízení - PLC, PAC, Embedded PC
• Měřící přístroje - osciloskopy, funkční generátory, analyzátory

Princip a struktura MRAM buňky Freescale

Prakticky jde z pohledu čtení a zápisu bitu o dva odlišné pochody, kdy při zápisu se vnějším elektromagnetickým polem mění orientace (natočení) magnetických dipólů, podobně jako u zápisu na harddisk, zatímco při čtení se jen měří vertikální elektrický odpor struktury MRAM buňky. Taková struktura buňky je sice o trošku složitější než struktura buňky SRAM, ale velkou výhodou je již zmíněný nulový vliv čtení log. stavu na kvalitu uložené informace. Zatímco u klasických RAM dochází s časem a se zjišťováním stavu bitu k úbytku náboje a je nutné po čase buňky tzv. regenerovat, u MRAM není nic takového nutné. Magnetická polarizace (orientace dipólů) není časem ani čtením stavu ovlivňována.

Savtchenkovo spínání lze však použít jen díky unikátnímu chování tzv. SAF vrstvy (Synthetic Antiferromagnet Layer). Ta v MTJ přechodu formuje proměnnou feromagnetickou vrstvu (Free Layer) na další dvě antiparalelní feromagnetické vrstvy oddělené vrstvičkou z nemagnetického materiálu (Ru) - viz obrázek 4. Momentově vyvážená SAF vrstva odpovídá na aplikované magnetické pole jinak než standardní jedna feromagnetická vrstva běžné MRAM. Místo toho, aby klasicky sledovala směr vytvořeného externího magnet. pole, se magnetizace SAF otáčí tak, že je vždy přibližně kolmá na mag. pole. Na obrázku 5. uvedená sekvence proudových pulsů vytváří rotující magnetické pole, která nakonec otočí (přepne) celkové magnetické pole proměnné vrstvy o 180 °.

Struktura MRAM chipu pamětí Freescale

Celá strukturu chipu MRAM paměti je rozdělena do několika samostatných stejných paměťových bloků vzájemně propojených komunikační sítí (MRAM Network) řízené procesorem a řídící logikou. Speciální implementační struktura umožňuje řídící logiku a procesor umístit pod matice paměťovým buněk, tedy jde o vrstevnatou strukturu, která umožňuje i na malém chipu získat velkou paměťovou kapacitu. CMOS část a MRAM buňky jsou vertikálně odděleny 3 vrstvami metalizace. Celková velikost (kapacita) paměti pak závisí na počtu na chipu umístěných bloků. Každý blok pak lze rozdělit na následující části:

• Matice MRAM buněk (MRAM bank)
• Bitová adresovací sběrnice (Bit line) - společné čtecí a zápisové elektrody B
• Zápisová sběrnice - elektrody D
• Čtecí sběrnice (Word Line) - elektrody W
• Budiče a dekodéry sběrnic
• MRAM uzel (MRAM Node) -
• CMOS řídící elektronika matice buněk (MRAM Node):
  • Řadič (Bank Controller)
  • Buffery (Requste/Response Buffer)
  • Dočasná záložní pamět (SRAM Cache)

   

MRAM paměti Freescale

Integrovaný obvod MR2A16A je magnetorezistivní RAM (MRAM) o velikosti 4 194 304 bitů, vhodná jako přímá náhrada SRAM. Kapacita paměti je organizována jako 262 144 slov o 16 bitech. Mimo napájecích a 18 adresových vstupů A a 16 datových vstupů/výstupů DQL a DQU je obvod vybaven i 3 povolovacími vstupy (E - chip enable, W - write enable, G - output enable). Protože má tato MRAM oddělené bajtové řízení čtení/zápisu slova vstupy LB a UB (Lower Byte a Upper Byte), je možné zapsat každý bajt zvlášť.

Základní vlastnosti:

• Kapacita: 4 Mb, v konfiguraci X16 (8/16 bitový přístup), organizace 256Kx16bitů
• Napájení: jedno napájecí napětí 3.3 V, detekce podpětí při zápisu
• Přítomnost napětí je nutná pro čtení a zápis, není nutná pro "pamatování" uložené informace
• Adresovací přístupový čas: max. 35 ns
• Čtecí cyklus: min. 35 ns
• Zápisový cyklus: min. 35 ns
• Pouzdro: 44pinové TSOP type-II, uvnitř magneticky stíněné, piny odpovídají SRAM
• Vývody kompatibilní s TTL
• Pracovní teplota: 0 až 70 °C

Závěr

Dle mého názoru bude vývoj a rozvoj MRAM nadále pokračovat a v budoucnu mohou dost ovlivnit trh se SRAM i Flash paměťmi. První komerčně prodávané integrované obvody nabízejí již zajímavé vlastnosti a parametry. I když rychlost čtení a zápisu nedosahuje cca 10 ns hodnot nejrychlejších SRAM, čas cca 40 ns je však plně srovnatelný s většinou levnějších menších běžných SRAM na trhu. Zatím sice není možné uživatelsky posoudit schopnost udržení záznamu bez napětí více jak 10 let, ale vzhledem k použitému principu je pravděpodobně možné věřit informacím výrobce. Ať již MRAM porovnáváme s běžnými SRAM nebo Flash a EEPROM, vždy v celkovém posouzení MRAM vychází jako vítěz, protože vždy nabízí něco, co ten druhý porovnávaný nemůže nabídnout. Jedinou současnou nevýhodou snad může být sortiment velikostí (kapacit), který se však určitě do budoucna bude rozšiřovat.

Pro bližší informace a technická data odkazuji přímo na stránky výrobce MRAM paměti MR2A16A, firmu Freescale, www.freescale.com. Pro informace ohledně nákupu MRAM apod. se lze obrátit na některého z prodejců/distributorů Freescale v ČR, například českou pobočku firmy Spoerle (skelca@ arrowce.com), nebo se informujte v redakci HW serveru.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka české pobočky firmy Freescale - www.freescale.cz
• Domovská stránka firmy Freescale - www.freescale.com
• Datasheet k MRAM paměti MR2A16A - MR2A16A.pdf
• Vývojové kity Freescale najdete v našem HW Shopu