Для авиации и космоса начат выпуск дискретных чипов памяти STT-MRAM ёмкостью 1 Гбит (128 Мбайт). Это во много раз более плотная магниторезистивная память, чем предлагалось ранее. Фактическая плотность размещения ячеек памяти STT-MRAM увеличена в 64 раза, если говорить о продукции компании Micross, которая выпускает сверхнадёжную электронную начинку для аэрокосмической и оборонной промышленности.

Информация в ячейке MRAM хранится в виде намагниченности слоёв

В основе микросхем STT-MRAM Micross лежит технология американской компании Avalanche Technology. Компания Avalanche создана в 2006 году выходцем из Lexar и Cirrus Logic Петром Эстахри (Petro Estakhri). Кроме Avalanche в разработке коммерческих версий STT-MRAM преуспели компании Everspin и Samsung. Первая работает в сотрудничестве с GlobalFoundries и ориентируется на выпуск встраиваемой и дискретной STT-MRAM с технологическими нормами 22 нм, а вторая (Samsung) пока выпускает STT-MRAM в виде встраиваемых в контроллеры 28-нм блоков. Блок STT-MRAM ёмкостью 1 Гбит, кстати, Samsung представила почти три года назад.

Заслугой Micross можно считать выпуск дискретной 1-Гбит STT-MRAM, которую легко использовать в электронике вместо NAND-флеш. Память STT-MRAM работает в большем температурном диапазоне (от -40 °C до 125 °C) с практически бесконечным количеством циклов перезаписи. Она не боится радиации и перепадов температур и может хранить данные в ячейках до 10 лет, не говоря о более быстрых скоростях чтения и записи, и о меньшем энергопотреблении.

В заключение напомним, что память STT-MRAM хранит данные в ячейках в виде намагниченности. Этот эффект обнаружен в 1974 году во время разработки жёстких дисков в компании IBM. Точнее, тогда был обнаружен магниторезистивный эффект, послуживший основой технологии MRAM. Намного позднее было предложено менять намагниченность запоминающего слоя с помощью эффекта переноса спина электрона (магнитного момента). Так к названию MRAM добавилась аббревиатура STT. На переносе спина основывается направление спинтроники в электронике, что очень сильно снижает потребление чипов за счёт предельно малых токов в процессе.

Кроме компании Intel на конференции IEDM 2019 своими достижениями в области производства магниторезистивной памяти поделилась компания Samsung. За год, прошедший со времени проведения IEDM 2018, Intel увеличила опытный массив 22-нм eMRAM с 8 до 16 Мбит, тогда как Samsung совершила головокружительный прыжок от 8-Мбит массива к 1-Гбит (128 Мбайт). При этом Samsung использует для выпуска памяти STT-MRAM 28-нм техпроцесс на пластинах FD-SOI (из полностью обеднённого кремния на изоляторе).

Архитектура STT-MRAM Samsung

Ещё одна разница между разработками этих компаний заключается в том, что Intel позиционирует STT-MRAM (магниторезистивную память на эффекте переноса спина электронов) в качестве кеш-памяти четвёртого уровня. Такой памяти не нужно быть полностью энергонезависимой. Достаточно того, что время регенерации увеличено до десятков или сотен микросекунд. Массивы STT-MRAM компании Samsung ориентированы на долговременное хранение данных без подачи электричества. Это замена встраиваемой NAND в микроконтроллерах для хранения данных и выполнения программ.

Опытный выпуск 1-Гбит массивов STT-MRAM Samsung характеризуется высоким уровнем выхода годных ― свыше 90 %. Основные параметры массивов не изменились: площадь ячейки составляет 0,0364 мкм², что даже меньше, чем в случае ячейки Intel с применением 22-нм техпроцесса (0,0486 мкм²). Устойчивость к износу благодаря использованию ECC не меньше, чем 100 млн циклов стирания. Диаметр туннельного перехода составляет 38–45 нм. Структура ячейки предельно простая и хорошо масштабируется: один транзистор управляет одним туннельным переходом.

На сегодня встраиваемая память Samsung объёмом 1 Гбит представляется самым большим массивом подобного типа памяти, которая, при всём прочем, выпускается в виде прототипов. Можно ожидать, что в серийной продукции эта разработка появится в течение 2019 года. Контроллеры с 8-Мбит массивами STT-MRAM Samsung начала серийно выпускать с марта этого года.

Характеристики прототипа STT-MRAM Samsung

Отдельно заметим, что Samsung пока игнорирует тему производства дискретных чипов STT-MRAM. На основе подобной памяти можно выпускать энергонезависимые кеш-буферы для SSD и другие интересные продукты. Дискретные чипы STT-MRAM ёмкостью 1-Гбит выпускает только компания Everspin с использованием 28-нм техпроцесса на линиях GlobalFoundries. Если бы Samsung вышла на это поле, она могла бы всем утереть нос.

На днях в Сан-Франциско стартовала очередная годовая конференция International Electron Devices Meeting 2019. Среди многих интересных тем, поднятых на IEDM 2019, выделяется тема опытного производства магниторезистивной памяти STT-MRAM на эффекте переноса спина электрона. Свои достижения в области разработки энергонезависимой памяти следующего поколения представили компании Samsung, GlobalFoundries, TSMC и компания Intel. По мере появления новой информации мы будем раскрывать подробности с выступлений представителей компаний. Пока же мы вкратце сообщим о новом достижении Intel ― компания представила массив STT-MRAM для кеш-памяти L4.

Год назад на IEDM 2018 компания Intel рассказала о выпуске 7-Мбит массивов STT-MRAM с использованием техпроцесса с нормами 22 нм (22FFL). Новый опытный чип содержит массив STT-MRAM объёмом 2 Мбайт. Это память для встраиваемого применения, которая обещает заменить как традиционную встраиваемую NAND-флеш, так и память SRAM, если речь идёт об использовании STT-MRAM в качестве кеш-памяти процессоров и ускорителей. Впрочем, пока речь не идёт о процессорах. В Intel предлагают использовать встраиваемую STT-MRAM как кеш-память для ускорителей для задач ИИ и машинного обучения.

Представленный 22-нм 2-Мбайт блок STT-MRAM позволяет считывать данные со скоростью 4 нс и записывать их со скоростью 20 нс. Устойчивость ячеек к износу достигает 10¹². Время удержания данных всего 1 секунда при температуре 110 градусов по Цельсию. Для долговременной памяти это не подходит, но для кеш-памяти окажется достаточным. Экономия по потреблению всё равно будет значительная.

Пример строения ячейки STT-MRAM

Особенность производства памяти STT-MRAM компании Intel заключается в том, что для её выпуска достаточно не больше трёх фотошаблонов. Ячейки памяти на основе магнитных туннельных переходов изготавливаются в слое контактов и не занимают место на кристалле. На кристалле располагаются только управляющие ячейками транзисторы ― по одному транзистору на ячейку. Такие массивы хорошо масштабируются и намного плотнее, чем классическая память SRAM из 6 транзисторов на каждую ячейку.

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.

Компания Everspin подписала соглашение с крупнейшим производителем полупроводниковых устройств, компанией GLOBALFOUNDRIES. Последняя, согласно контракту, становится производственным партнёром Everspin и будет инвестировать в развитие чипов памяти следующего поколения MRAM. Как отмечают эксперты, это важный шаг на пути к массовому внедрению перспективной технологии.

Everspin

GLOBALFOUNDRIES вложит средства в производство 300-мм пластин с микросхемами ST-MRAM, используя 40-нм технологический процесс. Кроме того, компания выкупила часть акций Everspin. Хотя финансовые детали сделки не разглашаются.

Everspin

Отметим, GLOBALFOUNDRIES уже давно интересуется технологией магниторезистивной памяти. Весной прошлого года она объявила о расширении сотрудничества с  Центром прикладных разработок в сфере микро- и наноэлектроники IMEC с целью развития технологии STT-MRAM. STT-MRAM обещает стать серьезной альтернативой существующим технологиям памяти, включая SRAM и DRAM, благодаря значительным резервам в повышении производительности, возможности масштабирования до 10 нм для встраиваемых и автономных приложений, а также благодаря энергонезависимости.

Бельгийский центр прикладных разработок в сфере микро- и наноэлектроники IMEC (Interuniversity Microelectronics Centre) и контрактный производитель полупроводниковых микросхем Globalfoundries объявили о расширении сотрудничества с целью развития технологии STT-MRAM (spin-transfer torque magnetoresistive random access memory, магниторезистивная оперативная память с переносом спинового момента).

Globalfoundries присоединилась к научно-исследовательской программе IMEC, в которой участвует еще несколько крупных компаний, включая производителя микрочипов Qualcomm, способных обеспечить полноценную инфраструктуру для проведения работы по совершенствованию технологии изготовления модулей памяти STT-MRAM.

STT-MRAM обещает стать серьезной альтернативой существующим технологиям памяти, включая SRAM и DRAM, благодаря значительным резервам в повышении производительности, возможности масштабирования до 10 нм для встраиваемых и автономных приложений, а также благодаря энергонезависимости.

Материалы по теме:

• GlobalFoundries и Cyclos создадут более эффективные чипы ARM Cortex-A15;
• Globalfoundries и TI намерены приобрести оборудование завода компании Powerchip;
• 28-нм производство GlobalFoundries лучше TSMC;
• ARM и Globalfoundries разработают 20-нм чипы с транзисторами типа FinFET.