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集各种存储器优异性能于一身的MRAM

集各种存储器优异性能于一身的MRAM

2021/1/4 13:52:56

MRAM即磁阻式随机访问存储器的简称。经过10多年不间断的研发,全球第一款正式量产并供货的MRAM芯片型号为MR2A16A,它采用44脚的TSOP封装,容量为4M比特。它采用一个3.3V的单电源供电,可以以高达28.5MHz的频率进行读/写操作。

在当今的电子设备中有各种各样的存储器件,包括SRAM、DRAM、闪存以及硬盘等。不同的存储器件有不同的特性,它们在使用寿命、读写速度、存储容量/密度以及使用方式和价格等各方面都存在很大的差异,是无法互相替代的。所以在一个设备中经常有多种存储器件存在。目前还没有一种存储技术能取代所有这些存储器件,成为一种通用的存储器。但MRAM的出现改变了这种状况,MRAM集成了sram的高速读写性能与闪存存储器的非易失性,它可以作为一个单一的存储器件,用于既需要快速且大量存储数据,又需要断电后保持数据,并可快速恢复的系统中。

图1.MRAM存储单元的结构

MRAM之所以具有这样的性能,是由于与传统的RAM不同,它是靠磁场极化的形式,而不是靠电荷的形式来保存数据的。MRAM的存储单元的结构如图2所示,它由三个层面构成,最上面的成为自由层,中间的是隧道栅层,下面的是固定层。自由层的磁场极化方向是可以改变的,而固定层的磁场方向固定不变。当自由层与固定层的磁场方向平行时,存储单元呈现低电阻;当磁场方向相反时,呈现高电阻。MRAM通过检测存储单元电阻的高低,来判断所存储的数据是0还是1。

图2更加清楚地展示了MRAM存储单元的结构和读写方法。图中下方左侧是一个晶体管,当它导通时,电流可流过存储单元MTJ(磁性隧道结),通过与参考值进行比较,判断存储单元阻值的高低,从而读出所存储的数据。当晶体管关断时,电流可流过编程线1和编程线2(图中WriteLine和WriteLine2),在它们所产生的编程磁场的共同作用下,使自由层的磁场方向发生改变,从而完成编程的操作。

图2.MRAM的存储单元结构即读/写模式

实现MRAM可靠存储的一个主要障碍是较高的位干扰率。对目标存储单元进行编程时,非目标单元中的自由层可能会被误编程。目前Everspin研究人员已经成功解决了此问题。写入线1和写入线2上的脉冲电流产生旋转磁场,只有它们共同作用的单元才会发生磁化极性的改变,从而不会干扰相同行或列的其它位单元。

要进一步隔离非目标单元,使其不受干扰,Everspin还使用镀层包裹内部铜线的三个侧面。此镀层将磁场强度引向并集中到目标单元。这使得可以使用低得多的电流进行编程,并隔离磁场周边的通常会遭到干扰的单元。

大批量生产Everspin MRAM设备的另一个难题是由于极薄的A10x隧道结。A10x结厚度上的微小变化都会导致位单元电阻的很大改变。Everspin也解决了这一问题,从而实现了在整个晶圆表面上以及整个批量上,都能产生一致的隧道结。

Everspin还通过增加两个附加层来改进固定磁性层。在固定层下面增加了一层钉(Ru)。在Ru层下面又增加了另一个称为牵制层(pinninglayer)的磁性层。固定层和牵制层的极性相反,将会引起很强的耦合,使固定层的极性保持锁定,因此不会在编程操作过程中引起误反转。

审核编辑(
王静
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