Магнитная память с произвольным доступом (MRAM, Magnetoresistive Random Access Memory) представляет собой класс энергонезависимой памяти, использующей магнитные свойства материалов для хранения информации. В основе MRAM лежит эффект гигантского и туннельного магнетосопротивления (GMR и TMR), который позволяет регистрировать состояние бита по ориентации магнитного момента.
Каждый элемент памяти MRAM состоит из магнитного туннельного перехода (MTJ), включающего две ферромагнитные пластины, разделенные тонким изолятором (обычно MgO). Одна пластина имеет фиксированную ориентацию магнитного момента, а другая может изменять направление под действием внешнего магнитного поля или спинового тока. Изменение относительной ориентации магнитных моментов приводит к изменению электрического сопротивления MTJ, что и регистрируется как логический “0” или “1”.
Магнитные туннельные переходы (MTJ) являются ключевым элементом MRAM. Основные компоненты MTJ:
Фиксированный магнитный слой (Pinned Layer) Обеспечивает постоянное направление магнитного момента. Обычно используют материалы с высокой коэрцитивностью, такие как CoFeB в сочетании с антиферромагнитным слоем для стабилизации.
Свободный слой (Free Layer) Магнитный момент этого слоя может изменять ориентацию под действием управляющего воздействия. Материалы аналогичны фиксированному слою, но с меньшей коэрцитивностью для облегчения переключения.
Туннельный барьер (Tunnel Barrier) Тонкий слой из оксида (MgO), через который электроны проходят туннелированием. Качество барьера критически важно для коэффициента туннельного магнетосопротивления (TMR).
В MRAM применяются два основных метода изменения состояния свободного слоя:
Запись с использованием магнитного поля (Field-Induced Switching, FIMS) Исторически первый метод записи, основанный на наложении магнитных полей, создаваемых токами в проводниках, окружающих MTJ. Противоположные токи формируют результирующее магнитное поле, способное перевернуть магнитный момент свободного слоя.
Запись с использованием спинового тока (Spin-Transfer Torque, STT-MRAM) Более современный метод, при котором магнитное состояние изменяется путем протекания поляризованного тока через MTJ. Электроны, обладающие спином, передают угловой момент свободному слою, вызывая его переключение. Этот метод обеспечивает меньший расход энергии и более высокую плотность интеграции по сравнению с FIMS.
Ключевые преимущества STT-MRAM:
Чтение данных осуществляется путем измерения сопротивления MTJ:
Для обеспечения надежного чтения ток, протекающий через MTJ, выбирается достаточно малым, чтобы не вызывать непреднамеренного переключения свободного слоя. В современных MRAM применяются схемы чтения с компенсацией шумов и температурных флуктуаций, что повышает устойчивость данных.
Элементы MRAM объединяются в матрицы с адресацией по строкам и столбцам, что обеспечивает произвольный доступ к отдельным битам. Для уменьшения эффекта магнитного взаимодействия между соседними элементами используются следующие технологии:
Современные MRAM позволяют интегрировать миллионы ячеек на кристалле размером с микросхему DRAM, сохраняя при этом высокую энергонезависимость.
Основные параметры MRAM:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Время записи | 1–10 нс (STT-MRAM) |
| Время чтения | <10 нс |
| Энергопотребление на бит | Порядка фемто-джоулей (fJ) |
| Плотность хранения | >1 Гбит/мм² |
| Циклы записи | >10¹²–10¹⁵ |
| Температурная стабильность | -40°C до +125°C |
Высокая долговечность, устойчивость к радиации и быстрые времена доступа делают MRAM перспективной технологией для как встроенной памяти (embedded memory), так и для универсальных накопителей, заменяющих DRAM и Flash.
Преимущества:
Ограничения: