MRAM:电脑启动立等可用

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  如果MRAM获得推广,我们将可以在几秒钟之内启动电脑系统。低耗电、非易失性、可无限次写入等特性使MRAM成为各大半导体公司研究的热门。
  8月20日,IBM和TDK宣布合作研发大容量高密度MRAM芯片,携手研发应用自旋动量转移来生产体积更小的数据存储单元,增强MRAM单元的压缩比,以此技术来扩大MRAM芯片容量,使其可以广泛地应用于手持设备中。IBM公司与TDK公司联合研发计划为期四年,将在IBM公司和TDK公司的多个研究机构内进行。
  MRAM被认为是下一代内存,使用它每次启动电脑时无需向内存中加载软件,我们可以迅速开启电脑。如果磁阻内存获得推广,我们将可以在几秒钟之内启动电脑系统。磁阻内存的数据即使断电也可自行保存,无需再从硬盘上载入。但是目前市场上的MRAM芯片容量仅几兆字节,只能满足嵌入式控制系统的要求,还不能满足现代个人PC的需求。两公司希望能够扩大MRAM芯片的容量,使其更加广泛地应用于手机和手持电脑中。如果TDK和IBM公司的研究成功,将可以满足生产体积小、容量大的芯片需求。磁阻内存有望取代今天所有的内存和闪存产品。
  MRAM(磁性随机存储器,全称Magnetic Random Access Memory)是一种非挥发性的磁性随机存储器,它将成为下一代存储器的典型代表。“非挥发性”是指关掉电源后,仍可以保持所存储内容的完整性;而“随机存取”是指中央处理器读取资料时,内存的任何部位都可以读写信息。
  1984年,Honeywell公司的Arthur Pohm和Jim Daughton两名博士最早提出了MRAM构想,让内存使用磁性材料存储数据。1994年,该公司成功研发了一种使用GMR(巨磁阻,Giant Magneto Resistive)薄膜技术的MRAM,并投入了生产。但由于GMR薄膜技术本身的缺陷,最终被更先进的TMR(隧道型磁阻,Tunneling Magneto Resistive)技术所代替。
  
  工作原理
  
  MRAM最主要的技术特点就是使用TMR磁性体单元来存储数据。利用电阻随磁化方向而变化的原理记录数据,并通过隧道效应扩大电阻值的差别。数据以磁性的方向为参考,存储为0或1。
  当MRAM写入时,会改变TMR元件的电阻,进而改变磁性体层的磁化方向。下磁铁电极层的磁化方向是固定的,上磁铁电极层的磁化方向则是可变的。当写入0时,产生与下层同向的磁场,上、下层磁化方向平行,电阻减小。写入1时,产生与下层反向平行的磁场,电阻增大。
  在读取MRAM时,TMR元件中会传导电流。如果是0,由于电阻小,电流就大;如果是1,由于电阻大,电流就小。存储的数据只有受到外界的磁场影响之后才会改变,否则会永久性保留。
  
  技术比较
  
  与现有存储器相比,MRAM具有以下优势:存取速度高、无限次存取、耗电量低、可嵌入式设计,不会轻易丢失数据等。
  MRAM使用的是磁性材料存储,是非易失性的,即使完全断电它也会保留数据。MRAM无需动态刷新,能够在非激活状态下关闭,可以大幅降低系统功耗。MRAM易于集成,能够更加轻松地嵌入系统中去,拥有性能高、不需增加芯片面积的特殊设计。与闪存相比,MRAM的写入性能更佳,因为它的穿隧模式不要求高电压,耗电量降低。MRAM在写入周期中消耗的电流更少,写入每个数据位所需的功耗比闪存低几个数量级。MRAM拥有静态随机存储器(SDRM)的高速读取写入能力和动态随机存储器(DRAM)的高集成度,而且可以无限次地重复擦写。
  MRAM之所以速度快是因为磁性体磁化方向的反转速度快。另外,由于改变磁化方向的次数没有限制,因此写入次数也为无限次。
  但另一方面,随着研发的推进,MRAM在技术上存在的问题也越来越棘手。目前,伴随着MRAM微细化进程的发展,TMR元件尺寸不断缩小,出现了磁化反转所需电流增大的问题。写入电流增大,进而写入电路本身的面积就难以缩小。因此,MRAM在标量化(微细化难易程度)上存在一定的技术难度,不少的内存厂商对MRAM的未来信心不足。
  
  应用情况
  
  隨着加工工艺与相关元件技术的进步,MRAM得到了迅速发展。摩托罗拉、IBM等半导体公司在MRAM领域取得了重大突破。2002年6月,摩托罗拉公司率先发布了1Mb的MRAM芯片的试制品;2003年4月,东芝与NEC发布了1Mb的MRAM样品;2003年6月10日,IBM与Infineon宣布合作开发MRAM。
  2006年2月,东芝和NEC在日本新能源与产业技术综合开发机构(NEDO)的资助下,研发成功了读写数据传输速度高达200Mb/s的16Mb MRAM,并在美国旧金山举办的ISSCC 2006会议上发表了该成果。该设备主要用于便携终端,采用 1.8V电源电压。
  东芝和NEC考虑到产生写入磁场的电流驱动电路会对周围内存单元的读取动作产生不利影响,MRAM很难提高工作速度。因此,他们在布线结构上进行了调整,将读取与写入电路分离开来,从而减轻了写入用电流驱动电路对周围内存单元产生的影响。另外,写入电流被部分地分开,布线电阻减小约38%。芯片面积缩小到了78.5mm2,比旧方法缩小约30%,内存单元面积为1.872μm2,工作周期也仅为34ns。
  2006年7月,嵌入式半导体设计与制造商飞思卡尔半导体公司宣布,目前已经批量生产和提供其商用的4Mb MRAM设备—MR2A16A。MR2A16A是一款快速的非易失性存储器产品,采用了超过100项飞思卡尔专利技术,包括跳变位(Toggle-bit)切换技术。当时售价大约是每片25美元。
  MR2A16A是一款4,194,304 位(262,144×16)磁阻式随机存取存储器。MR2A16A配有片选使能(E)、写入使能(W)和输出使能(G)引脚,可以实现极高的系统设计灵活性,且不会发生总线冲突。由于MR2A16A具有独立的字节使能控制(LB和UB),所以可以写入和读出单个字节。
  MR2A16A集非易失性存储器(NVM)与随机存取存储器(RAM)功能于一身,实现了新型智能电子设备的瞬时启动功能与功率损耗保护功能。该产品旨在为那些以电池为电源的SRAM单元提供一种经济可靠的单组件替换品,主要用于高速缓冲存储器、配置存储器以及要求具有MRAM的速度、持久力和非易失性的其他应用。
  高速读写、无限循环与非易失性等相结合的独特功能,使MR2A16A荣获2006年《Electronic Products》杂志评选的年度产品大奖。由于不再需要电池来确保非易失性,飞思卡尔的MRAM产品比其他存储器产品更加经济高效和可靠;平衡了读写速度,均达到接近DRAM的35ns水平。该器件也有类似DRAM和闪存的单元密度,但是不会出现DRAM的渗漏问题。
  飞思卡尔高级副总裁兼标准产品部总经理Paul Grimme表示:作为第一家实现MRAM技术商业化的公司,能够获得《Electronic Products》的认可,会进一步增强MR2A16A MRAM产品的突破性创新能力和巨大的商业潜能。飞思卡尔已经推出了非易失性存储器产品,它必将成为未来十年中最重要的半导体技术之一。飞思卡尔将加快在大小、成本、功耗和系统性能等各方面都得到显著优化的新型电子产品的上市步伐。
  今年8月,爱发科(ULVAC)公司宣布研发成功了能够在200mm晶圆上均匀形成反铁磁性膜的技术,主要用于制造构成硬盘磁头的TMR元件。通过把形成Mn3Ir时的压力,降低到以前的1/20以下(即约0.04Pa),在低压下成膜,膜厚以及膜成分的标准偏差(σ)从以前的10%以上降到了0.5%以下,确保磁特性中的面内均匀性。利用此技术,能够生产出记录密度为每平方英寸硬盘存储500GB~800GB内容所需的TMR元件。这项技术不仅可用于TMR元件,还可用于MRAM。
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