Спинтроника и магниторезистивная память

А. Ю. Зюбин
Российский государственный университет имени И. Канта, Калининград, Россия

Вторую половину XX века без преувеличения можно назвать эрой микроэлектроники. В течение этих 50 лет мир был свидетелем технологической революции, ставшей возможной благодаря цифровой логике и базирующимся на ней информационным технологиям. Однако в любых устройствах, от первого транзистора до современных поражающих своими вычислительными возможностями микропроцессоров, микроэлектроника в основном использует только одно свойство электрона – его заряд. В то же время электрон имеет еще одну, правда, сугубо квантово-механическую характеристику – собственный угловой момент, или спин (и связанный с ним магнитный момент), – которая вплоть до недавнего времени не пользовалась особым вниманием разработчиков и исследователей. Сегодня ситуация меняется, и на сцену выходит новая технология, получившая название "спинтроника" (spintronics – от spin transport electronics или spin-based electronics). В данной области используются качественно новые гетероструктуры - тонкие пленки, исследование которых имеет приоритетное значение в области развития таких областей как спинтроника и наноэлектроника.

Наша задача - исследование тонких пленок, на предмет пригодности для создания принципиально новых устройств спинтроники, таких как ячейка магниторезистивной памяти MRAM. Для этого в работе проводятся исследования спектров ферромагнитного резонанса образцов магнитных наносистем в зависимости от таких параметров как толщина слоя пленки, вида подложки (MgO,Si) технологии изготовления образца, анизотропии образца (как кристаллической так и магнитной), зависимости влияния слоев структуры друг на друга. Для получения спектров сигнала используется метод электронного магнитного резонанса. Он заключается в регистрации сигнала ферромагнитного резонанса образца, детального исследования спектра изучаемой структуры. Такой подход является уникальным и новаторским в области исследования магнитных наносистем, за счёт того, что исследования проводятся на электронном уровне, а не на атомарном или доменном.

Для наблюдения явления ФМР применяются спектрометры, работающие в диапазоне электромагнитных волн 9-36 ГГц (микроволны).

Наши исследования дают нам возможность использовать обоснованные прогнозы относительно параметров устройств из некоторых современных материалов, обладающих высоким значением магнитосопротивления (МС), для оценки характеристик оптимизированного расчета в технологическом процессе 0,18 мкм. В свете недавнего приобретения Россией завода с технологическим процессом 0,18 мкм данные прогнозы являются весьма актуальными в плане коммерциализации полученных результатов.

Рисунок 1

Рис. 1. Рассчитанный рост времени сигнала записи для 128-КБ-ного ядра при условии, что МС будет увеличиваться за счет схемотехнического моделирования, включая запасы.

Рис. 1 иллюстрирует предполагаемую (ожидаемую) зависимость времени записи сигнала для 128-Кб-ного ядра как функцию МС устройства при напряжении 300 мВ. Кривые были получены оптимизацией сопротивления МТП и синхронизацией усиления считывания так, чтобы МС увеличивался. Результаты показывают, что хотя номинальные эксплуатационные характеристики устройства улучшились лишь немного, значительное улучшение должно быть достигнуто для хвостов распределения: время доступа на чтение массива в 3нс должно быть достижимо при МС ?100% при напряжении смещения МТП в 300мВ. При наличии внемассивных составляющих, включаемых во время развертывания сигнала, для оценки полного времени доступа фактически допустимо ожидать 5-6 наносекундных операций считывания.

Используя эти и другие похожие оценки мощности и эксплуатационных параметров MRAM и других 180-нм технологий встраиваемой памяти, была составлена таблица (Табл. 1), в которой сравниваются SRAM (статическая память произвольного доступа), DRAM (динамическая память произвольного доступа) и Flash (NOR Flash) с оцениваемыми встраиваемыми MRAM (магниторезистивная память произвольного доступа) по затратам, характеристикам, мощности и долговечности. Однако, главные ожидаемые тенденции и результаты – сохранение развития нескольких технологий. Из таблицы видно, что встраиваемые flash и DRAM имеют самые маленькие по площади ячейки, затем следуют MRAM и SRAM. Говоря о затратах процесса, все технологии на 25% дороже, чем встраиваемые SRAM из-за разницы в стоимости дополнительных литографических масок и требуемых технологических операций. Далее, таблица иллюстрирует эффективную добротность как время доступа на чтения и цикла записи. Как видно, встраиваемые SRAM имеют самый быстрый доступ. По времени цикла записи встраиваемые SRAM также являются самыми быстрыми, за ними со схожими характеристиками следуют DRAM и MRAM, а затем более медленная Flash-память (более чем на два порядка). Далее рассматриваются сохранение информации, режим ожидания и активная мощность записи и чтения. Flash и MRAM имеют нулевую мощность сохранения информации. Самая низкая активная мощность чтения – у DRAM и MRAM. И наконец, наименьшая активная мощность записи характерна для DRAM, в отличие от Flash, SRAM и MRAM, у которых это значение на три порядка выше. Последний рассмотренный критерий – долговечность. Только Flash имеет ограниченный срок службы.

Таким образом, в числе лучших качеств MRAM – нулевая мощность сохранения данных, очень низкая мощность в режиме ожидания, неограниченный срок службы и относительно высокие скорости. Низкая резервная мощность может быть обеспечена благодаря тому, что MRAM не имеет потерь (в MRAM в режиме ожидания все напряжения равны нулю), требует ограниченного количества адресных шин и в ней отсутствуют источники питания с накачкой, которые нужно обслуживать. Активная мощность чтения хороша и сравнима со значением для DRAM. Активная мощность записи высока по сравнению с SRAM и DRAM, но намного ниже, чем у Flash-памяти. Для MRAM активная мощность записи реализуется током разрядной шины в то время, как шиной записи управляются многие разряды. Характеристики считывания для MRAM сравнимы с Flash и DRAM, но ниже, чем у SRAM. И последнее, время записи цикла сравнимо с DRAM, намного больше, чем у SRAM, но меньше, чем у Flash. Выбор, используемой технологии, зависит от предназначения. В некоторых случаях особенность применения четко определяет выбор. Для применения следует выбрать MRAM, если важны энергонезависимость и низкая мощность в режиме ожидания; иначе могут быть использованы SRAM или DRAM. Более того, если для приложения максимально возможные характеристики записи, мощность записи, долговечность записи важнее, чем другие свойства, MRAM будет лучшим выбором; в другом случае можно использовать Flash. Интересно сравнить DRAM, SRAM и MRAM для такого высокоэффективного приложения как внутрипроцессорная кэш-память. Действительно, DRAM, которые уже развиты и доступны для массового производства, нашли своё применение в чипах кэш-памяти, таких, как кэш-память третьего уровня процессорных чипов в 130-нм технологии.

Если бы MRAM была на сопоставимой с другими технологиями, то на стадии завершения, она представляла бы вариант, который помог бы избежать непроизводственных издержек на обновление DRAM и предложить приемлемую альтернативу большей мощности записи против более низкой мощности сохранения данных и режима ожидания.

Сравнительный анализ различных характеристик современных видов памяти приведён в Табл. 1.

Таблица 1

Табл. 1 Характерные или оцененные значения параметров для различных технологий встраиваемой памяти. Выделенные цветом данные показывают области, где ожидается, что MRAM будет иметь значительно преимущество.

Таким образом, память произвольного доступа на основе создаваемой технологии MRAM будучи энергонезависимой, превосходит по многим параметрам использующиеся в настоящий момент типы памяти.

На рис. приведена схема ячейки магниторезистивной памяти (Motorola), основанной на магнитном туннельном переходе. Для хранения информации MRAM использует явление гистерезиса, а для считывания -- GMR. Она функционирует подобно полупроводниковой статической памяти (SRAM), однако ее важной особенностью является способность сохранять данные при выключении питания. Если такую память использовать в персональных компьютерах, то они не будут требовать выполнения довольно длительной процедуры загрузки при включении.

Основными элементами ячейки памяти MRAM являются взаимно перпендикулярные разрядная (bit line) и числовая (word line) шины, между которыми располагается структура MTJ. При операции записи по шинам пропускается электрический ток, создающий магнитное поле, которое меняет направление намагниченности в свободном ферромагнетике. При операции чтения (рис.) открывается развязывающий транзистор и ток проходит через структуру MTJ. Изменение сопротивления ячейки может быть интерпретировано как двоичные 0 или 1. Такая память работает в 1000 раз быстрее традиционной EEPROM и не имеет ограничения по количеству циклов перезаписи.

Спинтроника

лайм, клубника, мята, тесты скорости, wi-fi

Комментарии (2)

Понравилась ли вам статья? Автору стоит писать дальше? Если да то на какие темы?

Да,понравилась.Хотелось бы прочитать статью о электрохимических технологиях в получении материалов для спинтроники

Отправить комментарий

  • Строки и параграфы переносятся автоматически.
  • Доступны HTML теги: <a> <b> <blockquote> <br> <cite> <div> <dl> <dt> <em> <font> <h2> <h3> <hr> <i> <img> <li> <ol> <p> <small> <span> <strike> <strong> <sub> <sup> <table> <tbody> <td> <thead> <tr> <u> <ul>
    Allowed Style properties: background-color, color, height, text-align, vertical-align, width
Гость
 
CAPTCHA на основе изображений
 
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии
 

Материалы по теме

4.07.11 - 10:00 Apple станет лидером рынка Причем, возможно, уже в следующем году.
Про почту Прочитала о том, что "Почта России" закупила 200 000 антивирусов на 240 млн. руб у Лаборатории ...
● К «Автоплатежу ЖКХ» от Сбербанка присоединился сотый поставщик услуг К «Автоплатежу ЖКХ» от Сбербанка присоединился сотый поставщик услуг в Калининградской области.

Последние статьи

21.10.15 - 14:55 ● Выбор ПО для удаленного администрирования: о чем нужно помнить Независимо от того, входит ли системный администратор в штат ...
20.08.15 - 10:25 ● Около 8 тысяч потребительских кредитов выдано в Калининградском отделении Сбербанка с начала года С начала года в Калининградском отделении Сбербанка выдано 7795 ...
29.07.15 - 09:17 ● Как сделать landing page Если вы решили продвигать какой-либо товар или услугу, то вам не ...
28.01.15 - 15:27 ● Удаленное администрирование для оказания качественной технической поддержки пользователей На сегодняшний день самыми распространенными каналами связи между ...
15.01.15 - 11:09 ● Удаленный доступ: администрируйте сеть не сходя с места Наряду со все расширяющимися обязанностями системного администратора, ...

Последние комментарии

в статьях:
Акция! Купи 1С:Предприятие или 1С:Торговля или 1С:Производство и получи подарок на 1500рублей
ia_partner.png