Магниторезистивная память MRAM активно разрабатывается с 90-х годов прошлого столетия. Она даже выпускается в некоторых коммерческих объёмах, но низкая плотность записи всё ещё не позволяет говорить о производстве твердотельных накопителей на MRAM. Максимум на что способны разработчики — это использовать MRAM в качестве энергонезависимого буфера в SSD или в виде безумно дорого накопителя для ведения журналов транзакций. Дело может поправить перевод производства MRAM на техпроцессы с меньшими технологическими нормами производства или использование MRAM в виде встраиваемой памяти в контроллерах и процессорах. В частности, этому может помочь распространение вещей с подключением у Интернету.

Intel встроила магнитный туннельный переход между двумя слоями металлизации, см. ряд по центру фото (IEDM 2018, Intel)

На конференции International Electron Devices Meeting (IEDM 2018) о прогрессе в деле производства встраиваемой MRAM, точнее — STT-MRAM, как более прогрессивной версии магниторезистивной памяти на основе переноса спинового момента электрона — сообщили сразу две компании. О прогрессе заявила компания Intel, а также Samsung. Скажем сразу, заявка Intel выглядит интереснее. Микропроцессорный гигант разработал первый в индустрии техпроцесс выпуска встраиваемой STT-MRAM с использованием вертикальных транзисторов FinFET с нормами 22 нм (22FFL). Что касается Samsung, то она научилась выпускать встраиваемую STT-MRAM на пластинах FD-SOI с использованием 28-нм техпроцесса.

Упрощённая структура магнитного туннельного перехода в версии Intel (IEDM 2018, Intel)

Разработка Intel интересна также по той причине, что компания смогла сделать туннельный магнитный переход — фактически ячейку STT-MRAM — между вторым и четвёртым слоем металлических контактов, а не на кристалле, как это обычно заведено. Это даёт надежду на дальнейшее масштабирование и на увеличение плотности записи. В то же время пока компания Samsung создала ячейку STT-MRAM чуть меньшей площади, чем Intel. Площадь ячейки Samsung составляет 0,0364 мкм², а Intel — 0,0486 мкм². По словам представителя Samsung, новые технологии производства дают надежду на скорое появление коммерческих продуктов с STT-MRAM.

Строение обобщённой ячейки STT-MRAM

Добавим, каждая из компании сообщает об устойчивости к износу встраиваемой ST-MRAM в представленных техпроцессах на уровне 10 млн циклов перезаписи. Отдельно компания Intel говорит о способности ячеек удерживать данные без потерь в течение 10 лет при рабочей температуре 200 градусов по Цельсию. Для вещей с подключением в окружении с перепадами рабочих температур это хорошее качество, хотя для промышленного применения и для транспорта Samsung хотела бы представить более устойчивую к износу память MRAM.

На конференции 2018 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) представители бельгийского исследовательского центра Imec продемонстрировали доказательство эффективности магниторезистивной памяти SST-MRAM для использования в качестве разделяемой кеш-памяти вместо традиционной памяти SRAM. Для этого была разработана модель массива SST-MRAM и выпущен опытный чип, на котором были проведены все необходимые измерения.

Следует отметить, что опытный массив памяти SST-MRAM выпущен с использованием 5-нм техпроцесса. Для производства был использован 193-нм сканер и однопроходная иммерсионная литография (с погружением в жидкость). Тем самым разработчики доказали, что процесс производства массива кеш-памяти SST-MRAM с технологическими нормами 5 нм может быть достаточно недорогим.

Сначала с помощью расчёта, а затем путём замеров был составлен график зависимости потребления массива кеш-памяти SST-MRAM и SRAM в зависимости от объёма памяти. Выяснилось, что в случае ёмкость 0,4 Мбайт память SST-MRAM становится эффективнее памяти SRAM в режимах чтения, а при наборе ёмкости 5 Мбайт потребление в режиме записи памяти SRAM начинает превышать потребления в режиме записи памяти SST-MRAM. Это означает, что в техпроцессах 5 нм память SST-MRAM невыгодно использовать для кеш-памяти первого и второго уровней, тогда как для кеш-памяти третьего уровня, обычно разделяемой, это эффективная замена SRAM. К тому же память SST-MRAM является энергонезависимой, что добавляет ей очков при сравнении с обычной оперативной памятью.

Остаётся напомнить, что ячейка памяти SST-MRAM представляет собой бутерброд из диэлектрика, заключённого между двумя слоями с намагниченностью: одну с фиксированной, а вторую — с переменной. В зависимости от поляризации тока свободный слой меняет направление намагниченности благодаря движению через него электронов с заданным вращающим моментом. Использование SST-MRAM вместо SRAM решает также другую задачу — это увеличения плотности ячеек памяти. Эксперимент показал, что в рамках 5-нм техпроцесса ячейка SST-MRAM занимает примерно 43,3 % от площади ячейки SRAM.

Разработчик энергонезависимой памяти MRAM (Magnetoresistive RAM) Everspin Technologies сообщил о договорённости начать выпуск своей продукции на полупроводниковом производстве малайзийской компании SilTerra (в городе Кулим). Договор заключён на несколько лет и является частью трёхстороннего лицензионного договора между Everspin, SilTerra и немецкой компанией Bosch Sensortec, дочерней структурой компании Robert Bosch GmbH.

Информация в ячейке MRAM хранится в виде намагниченности слоёв

Интерес подразделения Bosch Sensortec заключается в разработке компанией Everspin датчиков магнитного поля на основе магнитного туннельного эффекта — TMR-сенсоров. Магнитные датчики находят всё более широкое применение как в мобильных устройствах, так и в самоуправляемом транспорте. Чувствительность датчиков TMR в разы выше, чем в случае предшествующих технологий, что находит отклик в сердцах проектировщиков автоматизированных систем.

В то же время завод SilTerra будет служить базой для расширения производства памяти Everspin MRAM. До сих пор память MRAM в заметных объёмах выпускал завод NXP в США и компания GlobalFoundries. С помощью малайзийских мощностей SilTerra компания Everspin рассчитывает умножить предложение интересной памяти для промышленности, компьютеров, медицины и транспорта. Массовое производство памяти MRAM в Малайзии планируется начать в календарном 2020 году.

При всех своих высоких эксплуатационных характеристиках — энергонезависимости, устойчивости к износу, высокой скорости записи и низких задержках — память MRAM обладает низкой плотностью записи. В массовом производстве находятся микросхемы MRAM плотностью 256 Мбит. С экономической точки зрения память подобного объёма оправдано устанавливать в решения, где нужны не объёмы, а повышенная надёжность работы. Например, использовать в качестве энергонезависимого буфера в SSD серверного класса, как это сделала компания IBM. Но пока разработчики и производители не научатся выпускать намного более плотную MRAM, эта перспективная разработка так и останется нишевым решением.

Третий в мире по величине контрактный производитель полупроводников тайваньская компания United Microelectronics Corporation (UMC) сообщил о заключении технологического партнёрства с американским разработчиком энергонезависимой памяти STT-MRAM (Spin Transfer Torque Magnetic RAM) компанией Avalanche Technology. Согласно договору, UMC сможет выпускать для заказчиков контроллеры и SoC с памятью MRAM на основе доступных по стоимости пакетов лицензирования Avalanche. За основу для запуска производства встраиваемой MRAM взят 28-нм техпроцесс UMC, на который компания делает серьёзнейшую ставку.

Полупроводниковый завод компании UMC (UMC)

Память MRAM, как известно, обладает меньшими задержками и лучшей скоростью доступа, чем память NAND. При этом MRAM является энергонезависимой памятью, хотя несколько уступает DRAM и SRAM по скорости доступа. В качестве памяти встраиваемой в микроконтроллеры и SoC, память MRAM повысит надёжность и устойчивость работы обычной бытовой и носимой электроники, электроники для вещей с подключением к Интернету, а также промышленных и автомобильных схемотехнических решений.

Информация в ячейке MRAM хранится в виде намагниченности слоёв

Партнёры не намерены бесконечно оставаться на 28-нм техпроцессе, и рассчитывают со временем перевести производство встроенных блоков MRAM на техпроцессы с меньшими нормами производства. Несколько слов о компании Avalanche Technology. Компания основана в 2006 году Петром Эстахри (Petro Estakhri). Петро Эстахри стал учредителем и гендиректором Avalanche. До этого он основал в 1996 году и работал главным технологом в компании Lexar Media, пока её в 2006 году не купила компания Micron. До Lexar Петро разрабатывал контроллеры флеш-памяти для компании Cirrus Logic. Можно ожидать, что UMC заключила договор с правильным разработчиком.

Доступ компании UMC к лицензионным технологиям производства MRAM особенно интересен по одной важной причине. Аналогичным образом UMC получила доступ к технологиям производства встраиваемой памяти DRAM и памяти вообще. На данном этапе это сыграло ключевую роль в передаче технологий производства DRAM китайцам, с чем, например, в корне не согласна компания Micron. Поэтому аналогичным образом технология производства MRAM тоже может перейти в руки китайских производителей. Кстати, как и интересная технология производства памяти NRAM на углеродных нанотрубках, которую UMC может получить вместе с покупкой завода Fujitsu.

Как мы знаем, энергонезависимую память STT-MRAM (spin-transfer torque MRAM) в настоящее время выпускает компания GlobalFoundries по проекту компании Everspin Technologies. Плотность 40-нм микросхем STT-MRAM составляет всего 256 Мбит (32 Мбайт), что выгодно компенсируется высокой скоростью работы и большей устойчивостью к разрушению во время операций очистки, чем в случае памяти NAND. Эти высокие качества STT-MRAM позволяют претендовать магниторезистивной памяти с записью данных с помощью переноса спинового момента (spin-transfer torque) на место в процессоре. Как минимум речь идёт о замене массивов SRAM на массивы STT-MRAM в качестве кеш-памяти третьего уровня (L3). А что же с кеш-памятью L1 и L2?

По мнению специалистов бельгийского исследовательского центра Imec, для использования магниторезистивной памяти MRAM в качестве энергонезависимого кеша первого и второго уровней память STT-MRAM подходит не очень хорошо. На эту роль претендует более совершенный вариант магниторезистивной памяти, а именно — SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM). Запись в ячейку SOT-MRAM также происходит спин-поляризованным током, но только в виде передачи вращательного момента, используя для этого спин-орбитальный момент электронов.

Принципиальная разница заключается в схеме управления туннельным переходом в составе ячейки памяти и в методе записи. Так, ячейка STT-MRAM представляет собой бутерброд из двух тонкоплёночных структур (разделённых диэлектриком), одна из которых имеет постоянную намагниченность, а вторая «свободную» — зависящую от поляризации приложенного тока. Запись и чтение данных из такой ячейки происходят одинаково при пропускании токов перпендикулярно через туннельный переход. Тем самым износ ячейки происходит как во время записи, так и во время чтения, хотя при чтении токи значительно меньше, чем при записи.

Ячейка с туннельным переходом SOT-MRAM, также содержащая свободный слой и слой с постоянной намагниченностью, записывается током, который движется вдоль туннельного перехода, а не через все слои. Изменение «геометрии» подачи тока, заявляют в Imec, значительно повышает как устойчивость ячейки к износу, так и скорость переключения слоя. При сравнении работы ячеек STT-MRAM и SOT-MRAM, выпущенных на одной и той же пластине типоразмера 300 мм, для SOT-MRAM устойчивость к износу превысила 5·10¹⁰, а скорость переключения ячейки (запись) снизилась с 5 нс до 210 пс (пикосекунд). Потребление при этом было на низком уровне, равном 300 пДж (пикоджоулей).

Особый шарм всей этой истории заключается в том, что в Imec показали возможность выпускать память SOT-MRAM на штатном оборудовании на 300-мм кремниевых подложках. Иначе говоря, на практическом уровне доказали возможность запуска массового производства памяти типа SOT-MRAM.

Многолетнее партнёрство компании GlobalFoundries и разработчика магниторезистивной памяти eMRAM и MRAM компании Everspin Technologies уже вылилось в производство 40-нм чипов энергонезависимой памяти типа ST MRAM (Spin-Torque MRAM). На линиях GlobalFoundries выпускаются массовые 256-Мбит 40-нм микросхемы ST MRAM и опытные 1-Гбит 28-нм чипы. Для производства памяти Everspin используются обычные пластины из монолитного кремния.

На следующем этапе GlobalFoundries собирается освоить выпуск ST MRAM с использованием пластин FD-SOI (полностью обеднённый кремний на изоляторе) с нормами 22 нм (кодовое название техпроцесса 22FDX). В текущем году техпроцесс 22FDX будет внедрён в массовое производство на заводах компании в Дрездене, а в следующем году — на новом производстве GlobalFoundries в Китае.

Встраиваемую память eMRAM в сочетании с эталонными микроконтроллерами GlobalFoundries планирует предложить своим клиентам ближе к концу 2018 года. За разработку контроллеров отвечает компания eVaderis, а GlobalFoundries предложит техпроцесс 22FDX и технологию интеграции массивов eMRAM в состав контроллера. В качестве опции клиенты смогут заказать интеграцию в MCU eVaderis блоков NAND-флеш и SRAM.

Информация в ячейке MRAM хранится в виде намагниченности слоёв

Техпроцесс 22FDX позволит создавать экономичные по потреблению и площади решения. Платформа в виде eMRAM с MCU eVaderis будет распространяться в виде IP-блоков для самостоятельного производства и для интеграции в решения клиентов GlobalFoundries. Это могут быть контроллеры для вещей с подключением к Интернету, в том числе с батарейным питанием, контроллеры для потребительской и промышленной электроники, а также контроллеры для автомобилей.

Все предыдущие годы главными шагами по развитию производства полупроводников оставалась смена масштаба технологических норм. Сегодня, когда уменьшить размер элемента на кристалле становится предельно трудно, популярность обретают обходные пути, в частности, переход на полупроводниковые пластины с изолирующим слоем из полностью обеднённого кремния или FD-SOI. Пластины FD-SOI в производстве уже активно использует компания STMicroelectronics и готовятся использовать компании GlobalFoundries и Samsung.

На прошлой неделе мы познакомились с планами GlobalFoundries, которая начнёт рисковое производство с техпроцессом 22FDX (22 нм) в конце 2018 года. Компания Samsung, как стало известно из свежего официального сообщения производителя, вскоре планирует приступить к массовому выпуску решений с использованием фирменного техпроцесса 28FDS (28 нм). Обратим ваше внимание, что техпроцессы GlobalFoundries и Samsung отличаются, хотя в случае обработки монолитного кремния GlobalFoundries лицензировала у Samsung техпроцессы с нормами 28 нм и 14 нм FinFET. Техпроцесс 22FDX компания GlobalFoundries лицензировала у STMicroelectronics.

Возвращаясь к анонсу Samsung, отметим, что производитель сообщил о создании первого в индустрии цифрового проекта встроенной памяти eMRAM применительно к техпроцессу 28FDS. Тем самым выпуск опытного блока eMRAM с нормами 28 нм на пластинах FD-SOI можно ожидать в конце весны или в начале лета следующего года. Массовое производство решений, очевидно, стартует ближе к концу 2018 года, когда GlobalFoundries только-только увидит первые опытные решения, выпускаемые с техпроцессом 22FDX.

Принцип хранения информации в ячейке памяти MRAM

Компания GlobalFoundries, напомним, в техпроцессе 22FDX тоже будет выпускать решения со встроенной памятью eMRAM. Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM) работает со скоростью, близкой к скорости обычной оперативной памяти. Большая площадь ячейки магниторезистивной памяти не позволяет выпускать ёмкие чипы MRAM, что тормозит её массовое появление в компьютерных системах. Начало производства 28-нм и 22-нм кристаллов MRAM обещает появление чипов ёмкостью от 1 Гбит и выше. Этого уже достаточно, чтобы те же SSD получили нормальный и энергонезависимый буфер памяти вместо привычной памяти DDR. И GlobalFoundries, и Samsung делают всё возможное, чтобы это стало реальностью после 2018 года.

На сегодня наибольшего прогресса в деле освоения производства такого нового типа энергонезависимой памяти, как MRAM (магниторезистивная память), добилась компания GlobalFoundries. В октябре 2014 года GlobalFoundries заключила договор на внедрение в производство памяти ST MRAM (Spin-Torque MRAM), которую разработала компания Everspin Technologies. Это память с записью данных в ячейку с помощью переноса спина электрона на основе тоннельного эффекта. Такая память значительно энергоэффективнее NAND-флеш и намного быстрее и надёжнее её. Основная проблема MRAM заключается в сравнительно крупной ячейке и низкой плотности записи. Эту проблему компания GlobalFoundries постепенно решает.

Информация в ячейке MRAM хранится в виде намагниченности слоёв

В августе на мероприятии Flash Summit 2017 GlobalFoundries и Everspin показали самую передовую и плотную в индустрии память MRAM: массово выпускаемые 256-Мбит 40-нм микросхемы и опытные 1-Гбит 28-нм чипы. Всю эту память выпускает компания GlobalFoundries. Но главной услугой стала возможность выпускать на мощностях GlobalFoundries контроллеры и SoC со встроенным массивом памяти MRAM. Такие решения отличаются быстрой и надёжной встроенной памятью, выполнение кода в которой происходит почти также быстро, как в оперативной памяти. А с настоящего момента GlobalFoundries предлагает инструменты для проектирования 22-нм контроллеров со встроенной памятью MRAM на пластинах FD-SOI (кремний на изоляторе с полностью обеднённым слоем).

Микросхемы памяти MRAM компании Everspin

Первые проекты решений для техпроцесса 22FDX со встроенной памятью MRAM будут собраны для опытного производства к первому кварталу 2018 года. Рисковое производство по этим проектам будет проведено в конце 2018 года. В GlobalFoundries ожидают, что техпроцессом 22FDX воспользуются проектировщики бытовых, индустриальных и автомобильных контроллеров и решений для вещей с подключением к Интернету с батарейным питанием. Техпроцесс 22FDX обещает достаточно экономное потребление для чипов и высокую надёжность хранения данных. Например, ячейки MRAM в техпроцессе 22FDX могут хранить данные без потери 10 лет при температуре 125 градусов по Цельсию. Также опыты подтверждают, что в процессе перепайки памяти с нагревом до 260 градусов ячейки MRAM не теряют информацию. Подобные характеристики востребованы для бортовой электроники, и они гарантированно найдут применение на практике.

Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), по информации сетевых источников, намерена организовать производство чипов памяти нового поколения.

Речь идёт об изделиях MRAM и RRAM для встраиваемых устройств. Напомним, что MRAM — это магниторезистивная память с произвольным доступом: информация в данном случае хранится при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов. Что касается RRAM, то это резистивная память с произвольным доступом, принцип работы которой заключается в изменении сопротивления ячейки памяти под действием приложенного напряжения. Важно отметить, что оба типа памяти являются энергонезависимыми, то есть могут сохранять записанную информацию при отсутствии внешнего питания.

Итак, сообщается, что TSMC планирует организовать рисковое производство eMRAM (Embedded MRAM) в 2018 году, а eRRAM — в 2019. При этом планируется задействовать 22-нанометровую технологию.

Ожидается, что изделия eMRAM и eRRAM, выпущенные на линиях TSMC, будут применяться в системах для «умных» автомобилей, устройствах Интернета вещей, всевозможных мобильных гаджетах и пр.

Отметим также, что в следующем году TSMC планирует начать массовый выпуск продукции с применением передовой 7-нанометровой технологии. Эта методика будет использоваться при изготовлении микрочипов для мобильных устройств, систем высокопроизводительных вычислений и автомобильной техники. 

Компании SK Hynix и Toshiba отрапортовали о новых достижениях в разработке магниторезистивной памяти (MRAM).

Информация в MRAM хранится при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов. Магнитные элементы сформированы из двух ферромагнитных слоёв, разделённых тонким слоем диэлектрика. Один из слоёв представляет собой постоянный магнит, намагниченный в определённом направлении, а намагниченность другого слоя изменяется под действием внешнего поля.

SK Hynix и Toshiba применяют технологию STT-MRAM — Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory. Она использует «перенос спина» для перезаписи ячеек памяти. Данный эффект позволяет уменьшить величину тока, необходимую для записи информации в ячейку.

Модуль памяти STT-MRAM, созданный специалистами SK Hynix и Toshiba, имеет ёмкость 4 Гбит. Он состоит из восьми блоков объёмом 512 Мбит каждый. Изделие обладает энергонезависимостью, малым временем доступа и высокой скоростью передачи данных.

Более подробно о решении компании расскажут на мероприятии ISSCC 2017, которое пройдёт в феврале. Вывести разработку на коммерческий рынок SK Hynix и Toshiba рассчитывают в течение двух–трёх лет. 

Слабым местом накопителей на твердотельной памяти или SSD остаётся кеш-буфер из памяти типа DRAM. В настоящий момент в качестве буферной памяти широко используются микросхемы памяти DDR3. Давно планируется, что в качестве энергонезависимого буфера SSD будет использоваться какой-то из новых и перспективных видов энергонезависимой памяти — MRAM, RRAM, PCM или что-то другое (3D XPoint?). Собственно, отдельные накопители или подсистемы для кеширования данных в стоечных системах хранения уже используют магниторезистивную память MRAM и даже память на основе эффекта изменяемого фазового состояния вещества (PCM). Широкое использование памяти MRAM и PCM ограничено малой ёмкостью микросхем этих типов памяти. В будущем, тем не менее, всё обещает измениться. И это будущее может оказаться ближе, чем ожидается.

В интервью сайту EE Times исполнительный директор компании Everspin Technologies сообщил, что до конца года будет налажен выпуск 1-Гбит микросхем MRAM типа ST-MRAM. В основе разновидности этой памяти MRAM — ST-MRAM — лежит эффект записи ячейки с помощью туннельного переноса информации магнитным спином электронов. В настоящий момент компания Everspin приступила к массовому выпуску памяти ST-MRAM ёмкостью 256 Мбит (32 Мбайт). Подобная ёмкость, уверены в компании, позволяет памяти ST-MRAM уверенно войти в состав SSD и стать «неубиваемой» заменой RAM-буфера, ведь с отключением питания данные в ST-MRAM не пропадают. Для этого компания выпускает микросхемы ST-MRAM с интерфейсами DDR3 и DDR4.

Everspin

Ранее память ST-MRAM компании Everspin в системах кеширования данных использовала компания Dell в серверах PowerEdge и в системах хранения PowerVault (DAS) и EqualLogic (SAN). Компания LSI задействовала энергонезависимую память ST-MRAM в RAID-накопителях для ведения истории транзакций, а японская компания Melco (торговая марка Buffalo) даже выпускала определённые модели SSD с буфером из ST-MRAM микросхем. С выходом более ёмкой памяти ST-MRAM подобная практика обещает стать распространённой, что повысит надёжность работы с SSD.

Everspin

Кстати, производство памяти ST-MRAM компании Everspin полтора года назад начало внедряться на заводах GlobalFoundries с прицелом на 40-нм и 28-нм техпроцессы. Не исключено, что 1-Гбит память ST-MRAM будет выпускаться на бывших линиях компании AMD. Это интересно по той причине, что AMD продолжает выпускать процессоры на линиях GlobalFoundries и в будущем потенциально может воспользоваться этими техпроцессами для своих нужд. Например, для использования встроенной в процессоры памяти ST-MRAM вместо энергозависимой памяти типа SRAM. Быстродействие у обоих типов памяти примерно одинаковое, а от энергонезависимой кеш-памяти процессор только выиграет.

Московский физико-технический институт (МФТИ) и компания «Крокус НаноЭлектроника» (КНЭ) сообщили о начале совместной исследовательской программы по разработке и апробации технологии производства магниторезистивной памяти STT-MRAM.

Память MRAM хранит информацию при помощи магнитных моментов. Технология STT-MRAM (Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory), в свою очередь, использует «перенос спина» для перезаписи ячеек памяти. Применение этого эффекта в традиционной магниторезистивной памяти  позволяет уменьшить величину тока, необходимую для записи информации в ячейку, а также использовать техпроцесс с нормами от 90 до 22 нанометров и меньше.

Сообщается, что МФТИ и КНЭ направят свои усилия на разработку новых материалов, дизайн микрочипов, а также разработку методов их контроля и моделирования. Выпуск памяти STT-MRAM планируется организовать на мощностях КНЭ: технологическая площадка этой компании позволяет производить продукцию на основе магнитных туннельных структур по топологической норме до 90/65 нанометров на пластинах диаметром 300 мм.

«Производственные мощности нашей компании идеально подходят для создания встроенных или дискретных продуктов на основе STT-MRAM. Мы ожидаем, что в ближайшее время у этой технологии появится большой рынок — этому поспособствует превосходство STT-MRAM по таким показателям, как количество циклов перезаписи, скорость и энергопотребление», — сообщили в КНЭ.

Добавим, что в настоящее время все крупнейшие производители динамической оперативной памяти DRAM имеют свои программы STT-MRAM — данная технология считается основным кандидатом на замещение DRAM в ближайшем будущем. 

Несмотря на то, что конференция ISSCC 2015 закончилась ещё на прошлой неделе, компания Toshiba только сейчас опубликовала сообщение о разработке новой схемы STT-MRAM, которая была представлена в ходе одного из докладов.

House of Japan

Как утверждается, предложенная технология по энергопотреблению на 80 % экономичнее традиционной SRAM-памяти. При этом время доступа составляет всего 3,3 нс. STT-MRAM Toshiba является самой энергоэффективной среди всех типов встраиваемой памяти.

House of Japan

В последние годы рынок SoC развивается бурными темпами. Двигателем отрасли является растущий спрос на чипы для Интернета вещей, носимой электроники, смартфонов, облачных дата-центров. В этих приложениях ёмкость SRAM-памяти ощутимо увеличилась, соответственно возросли и требования к энергоэффективности. Одной из проблем SRAM являются токи утечки, которые неизбежно возникают и приводят к сравнительно большим потерям энергии. На днях мы уже упоминали об уникальном чипе для Интернета вещей с мощностью утечки всего 400 пиковатт. Toshiba, в свою очередь, считает перспективным решением проблемы использование в качестве кеша энергонезависимой памяти, такой как STT-MRAM. Но периферийные управляющие схемы также потребляют сравнительно большую мощность, поэтому даже при использовании экономичной памяти проблема энергоэффективности всей системы кеш-памяти в целом остаётся актуальной.

Для решения данной задачи компания разработала схему с высокоскоростным переключением между активным и выключенным состояниями (длительность перехода составляет менее 100 нс). Дальнейшие усовершенствования позволили ещё больше сократить потребляемую мощность в процессе чтения и записи данных.

Конечной целью проекта является создание таких схем, которые позволят сократить общую потребляемую мощность чипов на 90 %. Toshiba надеется завершить свою разработку уже в текущем финансовом году.

Сингапурский институт A*STAR Data Storage Institute (DSI) официально сообщил, что между ним и американской компанией Micron Technology подписан договор, продлевающий совместные разработки памяти STT-MRAM. Первый договор о партнёрской работе над энергонезависимой памятью STT-MRAM сингапурские разработчики и Micron подписали три года назад — в 2011 году. Новый договор охватывает аналогичный отрезок времени и будет действовать до 2017 года.

На первом и уже завершившемся этапе DSI и Micron разработали базовые технологии, необходимые для создания памяти STT-MRAM с высокой плотностью записи. В настоящий момент низкая плотность записи — это один из главных недостатков магниторезистивной памяти с произвольным доступом. Например, один из ведущих поставщиков памяти STT-MRAM — компания Everspin — готова поставлять микросхемы STT-MRAM ёмкостью всего 64 Мбит, которые годятся разве что на создание энергонезависимого кеш-буфера, но ввиду малой ёмкости не подойдут для выпуска SSD.

Компания Micron и разработчики из DSI не говорят детально о достигнутых результатах, но на новом этапе собираются сосредоточиться на улучшении таких характеристик STT-MRAM, как снижение потребления в моменты переключения состояния ячейки (запись и стирание) и улучшение быстродействия. Можно рассчитывать, что с повышением плотности записи они уже разобрались.

В заключение напомним, что память STT-MRAM работает на принципе переноса спинового момента электрона (изменение магнитного поля частиц). Считается, что из всех перспективных и достаточно проработанных на сегодня альтернатив энергонезависимой памяти — RRAM, FeRAM и PRAM — память типа STT-MRAM окажется самой энергоэффективной. Она настолько эффективна, что компания Toshiba вознамерилась заменить в процессорах кеш-память SRAM на блоки STT-MRAM, для чего не боится внести существенные изменения в современную процессорную архитектуру.

Возвращаясь к компании Micron, отметим, к настоящему моменту она охватила едва ли не весь спектр перспективной энергонезависимой памяти. Американский производитель готовится в партнёрстве с компанией Sony выпускать память типа RRAM (хотя через покупку Elpida получил фирменные разработки RRAM этой японской компании), выпускает 128-Мбит микросхемы PRAM (с изменением фазового состояния вещества) и SoC со встроенными блоками PRAM, а также потенциально имеет доступ к разработкам FeRAM через приобретённые подконтрольные компании Elpida тайваньские компании Inotera Memories и Nanya Technology (бывшие активы Infineon). И хотя весь потенциал Micron после приобретения японской компании Elpida до сих пор не раскрыт, можно не сомневаться — он огромен. Но это уже другая история.

Для большинства беспроводных и портативных приложений, особенно IoT, существует критический лимит потребляемой за определенный отрезок времени электроэнергии. Одним из направлений по возможному повышению энергоэффективности устройств является использование MRAM-памяти вместо традиционных EEPROM и Serial Flash. Специалист компании Everspin Technologies, которая специализируется на разработке MRAM, Дункан Беннетт (Duncan Bennett), изучая влияние MRAM на энергопотребление системы в целом, провел интересное исследование.

EE Times

Исследователь сравнил потребляемую мощность типичных систем сбора данных, использующих MRAM, Flash и EEPROM. Расчет показал, что время записи энергонезависимой памяти является одним из основных вкладчиков в общее энергопотребление системы. То есть, более короткое время записи MRAM действительно снижает энергопотребление устройства. Также на энергоэффективность влияет время между включением системы и началом записи данных. По этому показателю MRAM тоже выигрывает.

EE Times

В качестве типичной системы, используемой в медицинских мониторах, регистраторах данных, Беннетт приводит схему с низковольтным стабилизатором, микроконтроллером, энергонезависимой памятью и развязывающим конденсатором. Другие системные компоненты, такие как сенсоры, и их энергопотребление во внимание не берутся.

EE Times

Расчет проводился исходя из ключевых технических характеристик и технологий функционирования MRAM, EEPROM и Serial Flash. Детальный обзор исследования приводится здесь.