Neue MRAM-Speicherklasse verhält sich wie nicht-flüchtiges DRAM

| Autor / Redakteur: Joe O’Hare, Ben Cooke und Sarin Deshpande * / Sebastian Gerstl

Bild 1: Vergleich des Field-Switched (Toggle-)Schreibvorgangs mit dem Spin-Torque-Schreibvorgang.
Bild 1: Vergleich des Field-Switched (Toggle-)Schreibvorgangs mit dem Spin-Torque-Schreibvorgang. (Bild: Everspin Technologies)

MRAMs gelten als zuverlässige Speicher zum Aufzeichnen und Schützen kritischer Systemdaten. Durch fortschrittliche Technologie ist nun MRAM-Speicher möglich, der sich wie nicht-flüchtiges DRAM verhält.

Magnetoresistiver RAM-Speicher (MRAM) hat sich durch seine einzigartige Kombination aus bytegenauer Adressierbarkeit, hoher Geschwindigkeit und nicht-flüchtiger Speicherung mit sehr hoher Wiederbeschreibbarkeit, ausgezeichneter Datenerhaltung und hoher Zuverlässigkeit im Markt ausgezeichnet. Fortschritte in der MRAM-Technologie machen nun eine neue Speicherklasse möglich, die alle Vorteile von DRAM mit einer nicht-flüchtigen Speicherung verbindet und sich wie nicht-flüchtiges DRAM verhält.

Entwickler von Speichereinheiten, Systemen und Servern für Unternehmen verfügen nun über eine Speichertechnologie, die die Anforderungen an einen Hochgeschwindigkeitsspeicher erfüllt und von sich aus nicht-flüchtig ist. Damit können komplexe und kostspielige Backup-Stromversorgungen mit hohem Platzbedarf, z.B. Batterien oder Superkondensatoren, entfallen. Der Durchbruch des Perpendicular-Spin-Torque-Switching, der 3. Generation der MRAM-MTJ-Technologie (Magnetic Tunnel Junction) von Everspin hat eine Klasse nicht-flüchtiger DRAM-ähnlicher Produkte mit DDR3- und DDR4-Hochgeschwindigkeitsschnittstellen möglich gemacht. Dieser Artikel behandelt die Technologie und die Produkte und beschreibt die Anwendungen, die von ST-MRAM (Spin Torque MRAM) profitieren.

Die magnetoresitive RAM-Technologie speichert die Daten – anders als bei herkömmlichen Halbleiterspeichertechnologien – nicht als eine elektrische Ladung, sondern als einen magnetischen Zustand. Sie ist als diskrete oder Embedded-Lösung verfügbar. MRAM-Produkte lesen und schreiben Daten mit ähnlichen Geschwindigkeiten wie die meisten DRAM- und SRAM-Speicher, bieten jedoch die Nichtflüchtigkeit des Flash-Speichers, und dies mit wesentlich höherer Wiederbeschreibbarkeit.

Der Lesevorgang beruht bei allen MRAM-Typen auf der Erkennung des Widerstands des Speicherelements, eines magnetischen Tunnelkontakts (MTJ). Beim Schreiben des magnetischen Zustands des MTJ unterscheiden sich die Generationen dieser Technologie. MRAM-Produkte niedrigerer Speicherdichte aus der 1. Generation der Field-Switched-Technologie mit Bitdichten von 128 KBit bis 16 MBit bieten Schreibgeschwindigkeiten wie bei SRAM mit praktisch unbegrenzter Wiederbeschreibbarkeit.

Höhere Skalierbarkeit dank besserer Magnetisierung

Produkte mit höherer Dichte auf der Grundlage von Spin-Torque-MRAM in MRAM-Technologie der.zweiten und dritten Generation mit Bitdichten von 64 MBit oder mehr bieten ähnliche Schreibgeschwindigkeiten wie DRAM und haben im Vergleich zu anderen nicht-flüchtigen Speichertechnologien eine höhere Wiederbeschreibbarkeit. Die jeweiligen MRAM-Generationen entsprechen Fortschritten beim MTJ und dem zugehörigen Schreibmechanismus. Bild 1 zeigt einen Vergleich der Field-Switched-Bitzelle der ersten Generation mit Spin-Torque-MRAM der zweiten Generation, das mit In-Plane-MTJ arbeitet.

Die Entwicklung von Spin-Torque-MRAM hat zur Verwirklichung der dritten Generation der MRAM-Technologie als Produkt geführt. Sie arbeitet mit einem pMTJ, dessen Magnetisierungszustände senkrecht zur Schichtebene liegen (siehe Bild 2). Diese Struktur benötigt gegenüber In-Plane-MTJ einen wesentlich niedrigeren Schreibstrom und hat somit einen geringeren Energiebedarf, einen längeren Datenerhalt und eine höhere Wiederbeschreibbarkeit. Da die Magnetisierungseigenschaften nicht mehr von der Form oder vom Seitenverhältnis des MTJ abhängen, verbessert sich auch die Skalierbarkeit der Bitzelle. Mit MRAM der 3. Generation werden Dichten von einem GBit und mehr möglich.

Herkömmliche Speichertechnologien haben entweder hohe Schreibgeschwindigkeiten oder sie sind nicht-flüchtig, jedoch nicht beides. MRAM verbindet diese beiden Eigenschaften. Dadurch ist es ideal für den Datenerhalt bei Ausfall oder Unterbrechung der Spannungsversorgung sowie zum Speichern von Daten, die häufig geschrieben und gelesen werden. Die folgenden Merkmale machen MRAM zu einer immer wichtigeren anwendungsspezifischen Speicherlösung für Systeme, bei denen nicht-flüchtiger Speicher mit der Geschwindigkeit und Wiederbeschreibbarkeit von RAM erforderlich ist:

  • Nicht-flüchtig. MRAM behält die Daten bei Unterbrechung oder Ausfall der Stromversorgung.
  • Hohe Schreibgeschwindigkeiten. MRAM bietet die gleichen Speichergeschwindigkeiten wie die schnellsten verfügbaren flüchtigen Speichertechnologien, einschließlich des meisten DRAM und SRAM. MRAM schreibt einen Block bis zu 100.000-mal schneller als NAND-Flash.
  • Überlegene Wiederbeschreibbarkeit. MRAM kann fast 10 Millionen Mal öfter wiederbeschrieben werden als NAND-Flash.
  • Für größere Dichten und kleinere Prozessgeometrien skalierbar.
  • Nachgewiesen in hohen Stückzahlen herstellbar.
  • Niedriger Energiebedarf. Die Spannungsversorgung kann völlig abgeschaltet werden. Damit nimmt es keine Energie auf, behält trotzdem die Daten, und nach dem Wiedereinschalten kann auf die Daten schnell zugegriffen werden.

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