Магниторезистивная оперативная память (MRAM)

Введение

В современном мире, когда с каждым днем устройства становятся миниатюрней, а скорости чтения и записи данных перестают удовлетворять, возникает необходимость искать новые технологии памяти, отличные от традиционных технологий хранения электрического заряда и полупроводниковых микросхем типа СОЗУ, ДОЗУ.
В последнее время активно развивается новая область науки и техники, исследующая возможность интеграции спиновых и зарядовых свойств, а также управления ими.
В результате этих трудов появились перспективные технологии магниторезистивной памяти (MRAM).
В данной работе рассмотрены спиновые технологии записи и хранения данных, их преимущества и отличии от традиционных механизмов записи.
1 Обзор поисковых систем
Не однократно каждому из нас приходилось пользоваться поисковыми системами в Интернете для поиска информации в сети Интернет. Мы открываем привычный и удобный для нас веб-сервис, не задумываясь, что на самом деле в Интернете есть и другие поисковые системы.
Некоторые считают, что поисковые системы – это небольшие сайты, которые просто ищут другие веб-ресурсы. На самом деле в их основе лежат сложные алгоритмы ранжирования и базы данных с индексными подборками к различным запросам.
Над развитием данных веб-сервисов и алгоритмов работают огромные компании с сотнями сотрудников. Они стараются сделать поиск информации быстрым и удобным для людей, а также хорошенько заработать на контекстно-медийной рекламе и других сервисах.
Популярность используемых поисковых систем приведена на диаграмме, исходными данными которой является проведенный анализ за 2019 год (данные с 01.01.2019 г. по 01.01.2020 г.)

Поисковая система «Яндекс» является четвёртой среди поисковых систем мира по количеству обрабатываемых поисковых запросов (свыше 6,3 млрд в месяц на начало 2014 года). По состоянию на сентябрь 2018 года, согласно рейтингу Alexa.com, сайт yandex.ru по популярности занимает 21-е место в мире и 1-е – в России.
Поисковая система Yandex.ru была официально анонсирована 23 сентября 1997 года и первое время развивалась в рамках компании CompTek International. Как отдельная компания «Яндекс» образовалась в 2000 году. В мае 2011 года Яндекс провёл первичное размещение акций, заработав на этом больше, чем какая-либо из Интернет-компаний со времён IPO-поисковика Google в 2004 году.
Приоритетное направление компании – разработка поискового механизма, но за годы работы «Яндекс» стал мультипорталом. В 2016 году «Яндекс» предоставлял более 50 служб.
Google – крупнейшая в мире поисковая система интернета, принадлежащая корпорации Google Inc.
Основана в 1998 году Ларри Пейджем и Сергеем Брином.
Первая по популярности система (77,05 %), обрабатывает 41 млрд 345 млн запросов в месяц (доля рынка 62,4 %), индексирует более 25 миллиардов веб-страниц (на закрытой конференции в начале мая 2014 представитель Google упомянул, что на данный момент проиндексировано 60 триллионов документов, и как можно заметить в результате тестов, счётчик в поиске Google ограничен числом 25 270 000 000, также на это число при выдаче влияют фильтры, встроенные в алгоритм ранжирования выдачи).
Поисковая система от компании Mail.ru. По данным на сентябрь 2019 года на рынке Рунета он занимает долю около 1,0 - 2,3% (третье место в рейтинге поисковых систем на российском рынке). С 1 марта 2010 года руководителем Поиска Mail.ru является Андрей Калинин.
В течение многих лет в поисковой строке на главной странице Мейл.ру использовался сторонний движок: в 2004 – 2006 и 2010 – 2013 годы использовался поиск Google, 2007 – 2009 годах – решение от Яндекса. С 1 июля 2013 года сервис использует собственные поисковые технологии, которые разрабатывались командой инженеров Mail.ru.
Rambler (Рамблер, перев. с англ. как странник, бродяга) – поисковая система интернет-холдинга Rambler Media Group.
Поисковик учитывает морфологию русского, украинского и английского языков, а также при поиске проходит по всем формам запросов и выдает результаты по степени соответствия запросу.
Rambler, одна из самых первых поисковых систем на интернет-рынке, сыграл огромную роль в становлении Рунета. С небольшой численностью (не более 5%) поисковик стоит на 4 месте после Яндекса, Google и Mail.ru.
Аудитория поиска Рамблер в основе своей представлена людьми, пользующимися системой практически с момента ее появления.
Из преимуществ в Рамблере можно выделить тематический рейтинг сайтов, службу новостей, интернет-мессенджер, сервис онлайн-платежей, бесплатную почту и сервис контекстной рекламы Бегун, и т.д.
Bing (рус. Бинг) – поисковая система, разработанная международной корпорацией Microsoft. Bing была представлена генеральным директором Microsoft Стивом Балмером. Ранее имела следующие наименования и адреса:
MSN Search (http://search.msn.com/) – с момента появления в 1998 году и до 11 сентября 2006 года;
Windows Live Search (http://search.live.com/) – до 21 марта 2007 года;
Live Search (http://www.live.com/) – до 1 июня 2009 года.
Кроме того, с октября 2006 до января 2009 года действовал сайт Ms. Dewey (www.msdewey.com), а с августа 2007 до 30 июня 2009 года – Tafiti (tafiti.com), основанные на тех же технологиях Live Search, но имевшие иной, экспериментальный интерфейс.
В настоящее время сайт Bing занимает 5-е место в списке самых популярных поисковых сайтов по объёму трафика, в отличие от которых обладает рядом возможностей, таких как просмотр результатов поиска на одной странице (вместо пролистывания многочисленных страниц результатов поиска), а также динамическое корректирование объёма информации, отображаемой для каждого результата поиска (например, только название, краткая или большая сводка), встроенный поиск значения слов в Microsoft Word.
2 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
2.1 Структура запоминающей ячейки
В отличие от других типов запоминающих устройств, MRAM память хранит информацию не в виде электрических токов или зарядов, а с помощью магнитных элементов памяти.
Существуют два типа запоминающих ячеек, изображенных на рисунке Рисунок 1 Типы ячеек памяти MRAM, технология записи и считывания в которых разнится.
Типы ячеек памяти MRAM:
а) – тип I, информация записывается путем изменения величины магнитного поля;
б) – тип II, запись информации производится в результате переноса спинового момента.

Первый тип ячейки памяти состоит из управляющего транзистора и MTJ (магнитного туннельного перехода), который в свою очередь формируется из нескольких слоев:
– слой с поляризацией, фиксированной;
– тонкий диэлектрический туннельный барьер;
– свободный магнитный слой.
Данная технология основана на изменении величины магнитного поля (рисунок 1а). Электроны поляризуются магнитным слоем и пересекают диэлектрический барьер, когда на MTJ-элемент подается смещение.
MTJ-элемент имеет малое сопротивление, когда магнитный момент свободного слоя сонаправлен магнитному моменту фиксированного слоя, и высокое – когда магнитный момент свободного слоя направлен против магнитного момента фиксированного слоя.
Динамика сопротивления в результате изменения магнитного состояния устройства известна как магниторезистивный эффект, которая дала название технологии магниторезистивной памяти MRAM.
Принципиально устройство памяти схоже с принципом сетки, состоящей из отдельных ячеек, содержащих транзистор и элемент памяти. Сопротивление данной ячейки и, как следствие, полярность перезаписываемого слоя можно определить по величине протекающего тока.
Одинаковая ориентация намагниченности интерпретируется как логарифм 0, а противоположное направление намагниченности слоев (для него характерно более высокое сопротивление) интерпретируется как логарифм 1.
Квантовомеханическая задача о спин-туннельном прохождении электронов через магнитный переход рассматривается в рамках модели Стонера баллистического транспорта свободных электронов с параболическим типом зависимости дисперсионных кривых для зон проводимости электрона в i - ом магнитном слое (i = L,R) (левый магнитный слой, правый магнитный слой), где Ϭ = ±1 соответствует заданной спиновой ориентации электрона. Система моделирования описывается формулой Гамильтониана:
(01)
где m – эффективная масса (левый магнитный слой, барьер, правый магнитный слой);
-h_z (y)×Ϭ – внутренняя обменная энергия;
hz (y) – молекулярное поле в магнитном слое.
Вычисления производятся по формуле (01).
Новый вид памяти MRAM не имеет ограничения по количеству циклов перезаписи и до 1000 раз быстрее традиционной.
В процессе записи пропускается электрический ток по числовой шине (word line) и взаимно перпендикулярной разрядной (bit line), между которыми находится структура MTJ. Ток создает магнитное поле, меняя направление намагниченности в ферромагнетике. Для выполнения операции чтения открывается развязывающий транзистор, и ток проходит через структуру MTJ.
Но для создания поля ячейки первого типа требуется большой по величине ток, что затрудняет применение запоминающих устройств с ячейками I типа в портативных устройствах с низким энергопотреблением.
При переходе на меньшие топологические нормы, т.е. с уменьшением размера микросхем, индуцированное поле может перекрывать соседние ячейки на маленькой площади, что с может привести к ошибкам записи, поэтому необходимо использовать ячейки достаточно большого размера в памяти MRAM данного типа.
В ячейке памяти MRAM II типа (рисунок 1б) применяется отличная от предыдущего типа технология записи информации – перенос спинового момента (spin-torque-transfer-STT) или переключение с помощью переноса спина, то есть используются электроны с заданным состоянием спина («поляризованные»).
При этом способе записи информации в ячейку памяти нет препятствий для перехода на топологические размеры 65 нм и менее, т.к. требуется ток меньшей силы.
Магнитно-резистивная память с произвольным доступом объединяет магнитные запоминающие элементы со стандартным технологическим процессом КМОП. В ней используются пять уровней металлизации, включая шины программирования. Эти шины окружены материалом с высокой проницаемостью для концентрации магнитного потока.
Этот вид технологии, состоящей из структуры запоминающих элементов и технологии режима переключения ячеек памяти принадлежит и запатентован компанией Everspin.
Используя эту технологию, компанией Everspin была изготовлена память с низкой стоимостью, полной энергонезависимостью, большой логической емкостью, неограниченным количеством циклов и высокой скоростью чтения/записи.
Ни одна другая технология стандартной или энергонезависимой памяти не обладает таким сочетанием свойств.
Развитие технологии памяти MRAM по годам можно представить так:
1955 – изобретение памяти на магнитных сердечниках, использующей принцип сходный с MRAM памятью;
1989 – ряд ключевых открытий о «гигантском магниторезистивном эффекте» в тонкоплёночных структурах сделали учёные IBM;
1995 – Motorola (в дальнейшем Freescale) начинает разработку MRAM;
2000 – IBM и Infeneon начали общую программу развития MRAM;
2002 – NVE объявляет о технологическом обмене с Cypress Semiconductor;
2003 – изготовлен по 0,18-мкм-технологии первый чип MRAM на 128 кбит,;
2004
Июнь – Infineon представила опытный образец чипа основанного на 0,18-мкм-технологии на 16 Мбит;
Сентябрь – компания Freescale начинает собственные испытания по производству MRAM памяти;
Октябрь – Micron обдумывает варианты использования другой памяти, отказавшись от MRAM;
Октябрь – Тайваньские разработчики MRAM печатают элементы 1 Мбит на TSMC;
Декабрь – Renesas Technology разрабатывают высокоскоростную, высоконадёжную технологию MRAM;
Декабрь – Toshiba, NEC, TSMC описывают новые ячейки MRAM;
2005
Январь – Cypress испытывает MRAM, используя NVE IP;
Март – Cypress продаёт дочернюю компанию по производству MRAM памяти;
Июнь – Honeywell используя технологию 0,15 мкм ,создаёт радиационно-устойчивую таблицу данных MRAM на 1 Мбит;
Август – впервые ячейка памяти MRAM заработала на частотах 2 ГГц;
Ноябрь – Renesas Technology и Grandis сотрудничают в разработке MRAM 65 нм, применяя технологию STT;
Декабрь – Sony представляет первую лабораторию, производящую чипы MRAM на основе технологии STT, которая пропускает спин-поляризованный ток через туннельный магниторезистивный слой для записи данных, что более энергоэффективно и расширяемо, чем обыкновенная MRAM

. С дальнейшими преимуществами в материалах этот процесс должен позволить достичь больших плотностей, чем те, что возможны в DRAM.
Декабрь – Freescale впервые при производстве MRAM памяти использует вместо оксида алюминия, оксид магния, который позволяет создать более тонкий изолирующий туннельный барьер и улучшенное битовое сопротивление в течение цикла записи, уменьшая требуемый ток записи;
2006
Февраль – Toshiba и NEC анонсировали чип MRAM 16 Мбит с новой «энерго-разветвляющейся» конструкцией. Они добились частоты перемещения в 200 МБ/с, с временем цикла 34 нс – лучшая производительность любого чипа MRAM. Они также гордятся наименьшим физическим размером в своём классе – 78,5 квадратных миллиметров – и низким требованием по напряжению – 1,8 вольт;
Июль – компания Freescale объявляет старт продаж чипов MRAM 4 Мбит, по цене приблизительно $25,00 за штуку;
2007 – компания NEC разработала самую быструю в мире магниторезистивную SRAM-совместимую память, с рабочей частотой 250 МГц;
2008
В японском искусственном спутнике SpriteSat была применена магниторезистивная память производства Freescale для замены компонентов SRAM и FLASH;
Март – концерн Siemens выбрал в качестве энергонезависимой памяти для новых промышленных панелей оператора, микросхемы памяти MRAM емкостью 4 Мб, производства Everspin Technologies;
Июнь – Samsung и Hynix становятся партнерами по разработке STT-MRAM.
Июнь – компания Freescale производство магниторезистивной памяти переводит в отдельную компанию Everspin;
2009 – компании NEC и NEC Electronics заявили об успешной демонстрации работающей памяти магниторезисторного типа емкостью 32 Мб;
2010 – компания Everspin представила первые в мире коммерчески доступные микросхемы MRAM ёмкостью 16 Мб;
2011 – Samsung заявила о приобретении Grandis — поставщика запоминающих устройств на основе памяти STT-RAM;
2012 – Everspin начинает пробные поставки магниторезистивной памяти ST-MRAM EMD3D064M — DDR3 ёмкостью 64 Mb;
2013 – совместное предприятие РОСНАНО и французской компании Crocus Technology SA, запустили завод по выпуску MRAM-памяти с топологическим размером элемента 90 нм на пластинах диаметром 300 мм. Производственная мощность данного предприятия составило от 500 до 4000 пластин в месяц.
2016 – Samsung и IBM продемонстрировали ячейки MRAM с уменьшенным диаметром в 11 нанометров (ранее 50 нанометров) и скоростью переключения 10 наносекунд при токе 7,5 микроампер;
2017 – учёные из Московского физико-технического института (МФТИ) и компания Крокус Наноэлектроника сообщили о готовности производственной технологии для массового выпуска микросхем памяти STT-MRAM, а также, совместно с французской компанией eVaderis, изготовления встраиваемой памяти для СнК;
2018
Май – Smart Modular Technologies объявила о начале поставок карт расширения nvNitro на магниторезистивной памяти;
Декабрь – учёные из университета Тохоку (Япония) заявили о разработке микросхемы магниторезистивной памяти (MRAM) с ёмкостью 128 мегабит, запись информации на которой требует 14 наносекунд;
2019
Февраль – Intel в рамках конференции ISSCC 2019 сообщила о готовности к производству встраиваемой STT-MRAM на базе собственного 22 нм технологического процесса 22FFL FinFET c блоками ёмкостью до 7 Мбит.
Площадь одной ячейки STT-MRAM – 0,0486 мкм² (216 × 225 нм²). Скорость чтения от 4 до 8 нс. Устойчивость к износу – 1 млн. циклов переключения или циклов записи. Время удержания данных приблизительно10 лет;
Март – Samsung осуществляют поставки встраиваемой eMRAM памяти. Память выпускается на базе технологического процесса 28 нм FD-SOI, с ёмкостью модулей 256 Мбит и 512 Мбит;
Апрель – бельгийский исследовательский центр ИМЕК сообщил о готовности тестового оборудования для производства высокоскоростной (задержка чтения/записи порядка 0,2 нс) SOT-MRAM на пластинах размером 300 мм;
Май – исследователи из совместной группы российского МФТИ, Германии и Нидерландов сообщили о разработке новой технологии – optically-assisted MRAM с скоростью доступа порядка 3 пикосекунд;
Июнь – фаблесс компания Everspin приступила к производству модулей STT-MRAM ёмкостью 1 Гбит с интерфейсом ST-DDR4;

2.2 Производство и применение памяти
Изготовление MRAM памяти требует сложного оборудования, использования новых материалов, т.к. процесс изготовления слоев отличается от изготовления привычных типов памяти.
Процесс создания микросхем MRAM можно разделить на два этапа.
Сначала изготавливаются нижние слои ячеек, используя обычные кремниевые пластины, формируются транзисторы, линии выбора слов и т.п. Этот этап производства называется – FEOL (front-end-of-the-line).
Далее частично обработанная пластина перемещается на вторую фазу, называемую BEOL (backend-of-the-line), где наносятся слои с содержанием металлов, осуществляется соединение элементов медными проводниками и формируются линии выборки бит, завершая изготовление микросхемы.
Для сравнения традиционная DRAM память полностью изготавливается на этапе FEOL, подразумевая операции, проводимые при высоких температурах.
При производстве памяти MRAM нельзя допустить высокие температуры из-за очень тонких магнитных слоев (пленок), которые необходимо наносить при гораздо более низких температурах. Дополнительно изготовление MRAM памяти требует очень высокой точности.
Производство микросхем памяти MRAM требует применения трех масок для трех этапов изготовления, заключающихся в следующем:
Сначала формируется тонкий нижний электрод, т. е. линии выбора слов, управляющий транзистор.
Далее происходит процесс формирования ячейки памяти MTJ, представляющую собой около 20-30 тонких слоев, которые необходимо сформировать, размещая их точно друг над другом. Толщина этих слоев может быть в несколько ангстрем толщиной. Они нужны для обеспечения необходимого уровня намагниченности.
Второй фактор повышающий сложность технологического процесса в этом этапе – недопущение доступа воздуха в процессе нанесения слоев. То есть требуется проведение всего процесса на одном и том же оборудовании.
Последний этап заключается в формировании верхнего электрода, линии выбора бит и выполнении соединений между ячейками.
MRAM память состоит из ячеек MTJ, в котрой есть тонкий диэлектрический туннельный слой, толщиной примерно 10 ангстрем, выполненный из оксида магния (MgO) с окруженнием двумя ферромагнитными слоями, состоящих из кобальт-железо-бора (CoFeB), толщиной от 10 до 30 ангстрем. Через эти слои, включая туннельный слой протекает ток.
Особенностью технологии производства MRAM памяти является возможность создания микросхем с возможностями, близкими к флэш-памяти или соответствующими SRAM. Эта возможность варьирования характеристиками зависит от процесса формирования слоев.
После создания всех слоев ячейки памяти выполняется травление. При производстве MRAM памяти травление отличается от привычного реактивно-ионного (RIE), т.к. этот тип может повредить слои и применяется ионно-лучевое травление (IBE), т.е. бомбардирование материала пучком заряженных ионов. Технология травления дополнительно совершенствуется, т.к. у нее есть ограничения размера удаляемых участков.
MRAM память применяется в двух направлениях:
– направление замены встраиваемой флэш-памяти, которая используется во многих устройствах;
– замена встраиваемой памяти SRAM.
Второй вариант сложнее. Вообще, уже сложилось некое разделение сфер применения памяти. Так, STT-MRAM и ReRAM – хороший выбор для встраиваемых решений, а память, выполненная по технологии фазового перехода, ориентируется на использование в автономных устройствах, например, накопителях.
Планы по замене DRAM на MRAM пока что остаются планами, т.к. эти разработки еще не вышли из этапа исследовательско-конструкторских работ.
При переходе на память MRAM возникают сложности. В частности, эта технология должна доказать надежность и соответствие требованиям по безопасному хранению данных при высоких температурах, например, для применения в автомобильной промышленности.
Одним из лидеров по производству памяти MRAM является компания Everspin, с конвейеров которой выпустились около 20 млн. чипов памяти объемом 512 кбит и 2 Мбит. Также выпущены MRAM-чипы объемом 256 кбит, 1 Мбит и 4 Мбит. Самый большой объем памяти элементов MRAM, производимых Everspin, составляет 16 Мбит.
Everspin создает элементы MRAM памяти для использования в аэрокосмических, военных информационных и управляющих системах, системах безопасности, автономных системах регистрации данных (черных ящиков, замены устройств памяти на аккумуляторных батареях).
В будущем компания планирует применение MRAM памяти в цифровых фотоаппаратах, ноутбуках, смарт-картах, мобильных телефонах, персональных компьютерах и прочей бытовой технике.
Дополнительно, Everspin планирует использовать свою память в качестве замены микросхем DRAM, которые применяются для кэширования операций записи в SSD‑накопителях и в RAID системах. Преимущество MRAM памяти перед DRAM заключается в том, что при исчезновении напряжения питания в DRAM все данные, которые находились в памяти и не были еще записаны на носитель, будут утеряны, а при использовании MRAM памяти сохранены. В SSD накопителях для решения данной проблемы устанавливаются конденсаторы, способные обеспечить питанием накопитель для того, чтобы успеть записать все находящиеся в буфере данные, тем самым увеличивая стоимость накопителей. В RAID-массивах применяют резервные батареи.
Для решения этого вопроса применяется память STT-MRAM, т.к. она энергонезависима и данные не пропадают, а, значит она не нуждается в использовании резервных батарей или конденсаторов.
Первые микросхемы памяти ST-MRAM (Spin-torque мagneto-resistive RAM) выпустила компания Everspin в 2012 году для высокопроизводительных систем хранения.
Это были микрочипы 64 Mбит ST-MRAM, получившие наименование EMD3D064M, выполненные в стандартных корпусах WBGA и предназначенные для использования в высокопроизводительных системах хранения данных, т.к. благодаря фирменной технологии они совмещают достоинства динамической и флэш-памяти, характеризуясь малым временем доступа и обеспечивая высокую скорость передачи данных.
Числовые характеристики выпускаемых чипов ST-MRAM составляют 1,6 млрд