MRAM вторгается в вотчину DRAM

Вряд ли будет большой ошибкой, если cказать, что индустрия памяти для ПК сегодня находится на распутье. В самом деле, одни специалисты говорят, что, несмотря на неудачный старт, будущее все же за технологией Rambus DRAM, другие считают, что наиболее массовой станет технология SDRAM, а есть и такие, кто прочит на эту роль DDR RAM. Не прибавило ясности и создание "альянса шести", планирующего разработать еще один тип памяти — Advanced DRAM Technology (ADT). Однако совсем не исключено, что массовое распространение в конечном итоге получит память, построенная не на базе технологии DRAM. По крайней мере, целый ряд ведущих производителей в настоящее время ведет разработки в области так называемой магниторезистивной памяти — MRAM (Magnetoresistive RAM).

К числу отличительных особенностей MRAM относятся потенциально большая скорость чтения/записи — примерно такая же, как у памяти Static RAM, и высокий уровень интеграции ячеек — такой же, как у памяти DRAM. Кроме того, магниторезистивная память является еще и энергонезависимой.

Запоминающий элемент MRAM во многом похож на магниторезистивные головки, нашедшие широкое применение в современных жестких дисках. Он представляет собой некий "бутерброд", в котором слой магниторезистивного материала заключен между двумя слоями ферромагнетика. Проводимость магниторезистивного слоя, как известно, зависит от магнитного поля, в которое он помещен. Очевидно, что внутри запоминающего элемента MRAM это поле, а значит, и сопротивление находящегося в нем магниторезистивного материала, будет определяться ориентацией магнитных моментов ферромагнитных слоев. Считается, что когда их магнитные моменты ориентированы в одном направлении, то элемент имеет значение 0, а когда в противоположных — 1. Отсюда, кстати, видно, почему память MRAM является энергонезависимой — изменить ориентацию магнитного момента можно только внешним воздействием. Также обращает на себя внимание тот факт, что для управления элементом памяти достаточно управлять магнитным моментом только в одном из ферромагнитных слоев, а во втором слое он может оставаться постоянным.

Схема расположения ячеек MRAM

Предлагаемые на сегодняшний день решения на базе MRAM предусматривают использование для записи данных массива взаимно перпендикулярных шин, в точках пересечения которых размещены запоминающие элементы. При этом изменение состояния элемента возможно только при одновременном прохождении тока через обе пересекающие ее шины.

По утверждениям специалистов, для изменения магнитного момента необходимо не более одной наносекунды. С учетом времени, затрачиваемого на пропускание по управляющим шинам электрического тока, вся операция занимает несколько наносекунд. Считывание данных должно происходить столь же быстро, поскольку процедура эта заключается в пропускании тока через ячейку и фиксировании падения напряжения на ней.

Наиболее распространенный метод выбора запоминающего элемента для считывания информации из памяти MRAM основан на применении МОП-транзисторов. При подобном подходе размер ячейки памяти, которая будет состоять из описанного выше запоминающего элемента ("бутерброда") и МОП-транзистора, задается именно транзистором, поскольку он значительно больше. Таким образом, в принципе возможно достижение той же степени интеграции ячеек, что и в памяти DRAM. Более того, в последнем случае, как отмечают специалисты, размер ячейки даже в большей мере зависит от размера конденсатора, а не МОП-транзистора, т. е. не исключено, что по степени интеграции ячеек технология MRAM когда-нибудь сможет превзойти технологию DRAM.

И вот тут мы подходим к очень важным моментам.

Вполне очевидно, что чем ниже сопротивление запоминающего элемента и чем слабее магниторезистивный эффект, величина которого определяется разницей сопротивлений магниторезистивного слоя при разных состояниях запоминающего элемента — 0 или 1, тем большая сила тока нужна для того, чтобы эту самую разницу "почувствовать". МОП-транзистор в ячейке памяти MRAM соединен с запоминающим элементом последовательно, поэтому тот же самый ток будет проходить и через него. А, как известно, мощность транзистора (т. е. сила тока, которую он способен выдержать) определяется размером области p-n-перехода: чем больше размер, тем транзистор мощнее, и наоборот. Таким образом, степень интеграции ячеек памяти MRAM очень сильно зависит от сопротивления запоминающих элементов и величины магниторезистивного эффекта.

Другой важный момент — скорость чтения/записи данных.

Первая сложность заключается в неоднородности свойств запоминающих элементов. В результате этого падения напряжения на разных ячейках памяти при считывании будут отличаться, и при малой величине магниторезистивного эффекта он вполне может оказаться в пределах этой разницы. Точно так же может колебаться значение силы тока, необходимой для изменения состояния ячейки. Кроме того, чем слабее магниторезистивный эффект, тем выше влияние шумов. Наконец, в процессе работы "плавает" и сопротивление транзистора, причем при небольшом значении сопротивления запоминающего элемента, когда оно уже становится сравнимым с сопротивлением p-n-перехода, это тоже нужно учитывать.

Влияние описанных факторов требует усложнения процедуры чтения/записи (применения дополнительной обработки, увеличения количества обращений и т. п.), что, естественно, отрицательно сказывается на скорости. Правда, например, проблему неоднородности свойств запоминающих элементов специалисты объясняют несовершенством производственного процесса, и, по их мнению, по мере развития технологии MRAM она должна решиться сама собой. Тем не менее совершенно очевидно, что одними из главных задач исследователей являются усиление магниторезистивного эффекта и поиск MR-материалов с большим сопротивлением.

На заре технологии MRAM (а появилась она в начале 80-х годов) в ней применялась разработанная фирмой Honeywell так называемая анизотропная магниторезистивная (anisotropic magnetoresistance — AMR) технология. Позднее, уже в начале 90-х, стали использоваться многослойные элементы на основе GMR-технологии (giant magnetoresistance). Основная проблема, связанная с ней, заключается в небольшой величине магниторезистивного эффекта, составляющего всего около 10%, и относительно малом сопротивлении GMR-элементов. В результате память MRAM на базе GMR-технологии, выпуск которой был налажен все той же Honeywell, как и следует из сказанного выше, имела большое время чтения/записи и невысокую степень интеграции ячеек. По этой причине она нашла лишь весьма ограниченное применение, в частности в военной и космической отраслях. Почему именно здесь? Объяснение довольно простое: магниторезистивная технология по своей природе устойчива к воздействию ионизирующего излучения.

Схематическое изображение ячейки MRAM

В последние несколько лет в компании IBM ведутся интенсивные исследования в области туннельной магниторезистивной технологии (tunneling magnetoresistance — TMR), также являющейся одним из претендентов на использование в памяти MRAM. Построенные на ее основе элементы были названы магнитными туннельными переходами (magnetic tunnel junction — MTJ). Одно из главных отличий MTJ-элементов от GMR-элементов состоит в том, что в них при считывании ток пропускается не параллельно, а перпендикулярно слоям структуры.

Применение TMR-технологии позволило увеличить магниторезистивный эффект до 20%. Более того, уже получены структуры, в которых его величина достигает 40—50%. Плюс к этому сопротивление TMR-структур чуть ли не на порядок выше сопротивления GMR-структур.

Однако есть еще одна проблема: при пропускании через MR-элемент электрического тока наблюдается значительное уменьшение — почти в два раза — магниторезистивного эффекта. В результате ученые вынуждены бороться еще и с этим явлением. Предполагается, что в конечном итоге разность напряжений для двух состояний запоминающего элемента удастся снизить где-то до 20%. Работы в данном направлении ведутся, например, компаниями Toshiba и Fujitsu, и, по некоторым сведениям, там уже достигли определенных успехов.

Что касается суммарной величины магниторезистивного эффекта для памяти MRAM, которую, по мнению специалистов, можно считать приемлемой, то она равна примерно 30%.

Необходимо упомянуть еще об одном моменте, на который указывает целый ряд специалистов. Дело в том, что при производстве МОП-транзисторов используются температуры порядка 400 °C, в то время как TMR-элемент способен безболезненно выдержать максимум 300 °C. Таким образом, возможно, также придется разрабатывать новый низкотемпературный производственный процесс.

Ну и в заключение, наверное, следует немного порассуждать о перспективах MRAM. Как считают аналитики, она вполне может стать заменой и памяти DRAM, и флэш-памяти. Конечно, долгое время данная технология не привлекала к себе особого внимания, однако в последние годы интерес к ней существенно возрос, причем активность проявляют многие ведущие производители. Кроме упоминавшихся выше IBM, Toshiba и Fujitsu, исследования в области MRAM ведут также Motorola и Infineon (бывшее полупроводниковое подразделение Siemens). Что ж, компания весьма солидная, и было бы удивительно, если бы в конечном итоге им не удалось достичь определенного успеха. Ну а появления массовых продуктов на базе MRAM, по некоторым прогнозам, можно ожидать уже через пять лет.