НОВЫЙ ВИТОК ЭВОЛЮЦИИ ПАМЯТИ: RAM + ROM = MRAM
Михаил Соколов, инженер по применению, ООО "Freescale Semiconductor"
Александр Гришин, инженер МЭИ (ТУ)
Игорь Очеретянко, инженер по применению, ООО "GRAND Electronic"
На сегодняшний день существует много технологий хранения данных. Наиболее активно развивается направление флэш-памяти – регулярно появляются новые модели с улучшенными характеристиками. Но, данная технология напрямую приблизились к тому пределу, через который привычный флэш перешагнуть уже не сможет. Поэтому в последние годы начались активные поиски решения способного в перспективе забрать у флэш пальму первенства.
СПИНТРОНИКА – ЭЛЕКТРОНИКА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Еще в ХХ веке появилось новое направление, которое должно подхватить и продолжить развитие электроники – спинтроника. Спинтроника — это область квантовой электроники, в которой для физического представления информации наряду с зарядом используется спин частиц, связанный с наличием у них собственного механического момента. Спинтроника отличается тем, что использует дополнительную возможность представления информации с помощью магнитного момента квантовых частиц. Одно из явлений спинтроники, названное гигантским магнитным сопротивлением (GMR), в конце 1990-х было использовано в магнитных головках жестких дисков. В результате емкость дисков за пять лет выросла в сто раз.
Еще с первой половины ХХ века начались исследования магниторезистивных структур для энергонезависимых элементов хранения информации. Определенную трудность представляла необходимость создания в полупроводнике магнитно-поляризованного электронного кластера. На данный момент разработана технология инжектирования в полупроводник поляризованных электронов с помощью квантовых магнитных туннельных переходов. В таких переходах электроны туннелируют управляемым образом между двумя ферромагнитными слоями. Каждый переход может хранить один бит информации, что позволяет создавать память MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory).
ТЕХНОЛОГИЯ MRAM – ДОЛГИЙ ПУТЬ К УСПЕХУ
История создания магниторезистивной памяти MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) в мире насчитывает уже не один десяток лет. В России также проводились исследования и работы по созданию магниторезистивной памяти для применения в военной и аэрокосмической областях. Однако практически все попытки создания серийной MRAM памяти не увенчались успехом либо не приводили к созданию недежного продукта, пригодного для серийного производства.
Прообразом магниторезистивной памяти является оперативная память на микроскопических магнитных сердечниках и ферритовых кольцах, использовавшаяся в первых компьютерах 50-х – 70-х годов двадцатого века. Но размеры ячеек были столь велики, что, например, память объемом 512К занимала целую комнату.
Такие крупные компании как IBM, Cypress, Toshiba, Renesas, Hitachi, Mitsubishi. Motorola и др. работали над созданием памяти более 10 лет. На сегодняшний день только один производитель полупроводников в мире предлагает память MRAM как полностью завершенный коммерческий продукт, выпускаемый серийно.
Компания Motorola приступила к исследованиям в области магниторезистивных структур в 1995 году, совместно с агентством перспективных исследований МО США (DARPA-US). В разработку памяти MRAM были вложены значительные средства, и положительные результаты исследований о возможности серийного производства микросхем были получены в 2000 году. В 2002 году Motorola продемонстировала обарзцы памяти MRAM первого поколения объемом 256КБ и 1МБ, выполненные по технологии 0.60 микрон, в 2003 году были представлены образцы памяти объемом 4МБ второго поколения, выполненные по технологии 0.18 микрон. После отделения всего сектора полупроводниковых компонентов от Motorola в 2004 году, уже независимая компания, Freescale Semiconductor, продолжила работы по доведению продукта до серийного производства.
Сегодня, компания Freescale Semiconductor занимает лидирующие позиции в области исследований и проектирования магниторезистивных структур, что подкреплено более чем 100 патентами, и стала первой в мире компанией, представившей на рынке магниторезистивную память. В результате, 10 июля 2006 года был анонсирован законченный коммерческий продукт, использующий технологию MRAM - автономный модуль MR2A16A с объёмом памяти 4 мегабита. Данная технология памяти, использующая магнитные моменты для сохранения состояния битов вместо электрических зарядов, стала полностью пригодна для коммерческого использования.
Магниторезистивная память является революционной технологией, которая потенциально может заменить большинство существующих разновидностей полупроводниковой памяти. Технология MRAM обладает всеми необходимыми свойствами для того, чтобы стать «универсальной памятью», успешно совмещая в себе основные преимущества различных типов энергонезависимой и оперативной памяти. Кроме того, существует ряд уникальных особенностей, открывающих широкие рыночные перспективы для данного устройства.
ПРЕИМУЩЕСТВА МАГНИТОРЕЗИСТИВНОЙ ПАМЯТИ
Объем мирового рынка микросхем памяти, по некоторым оценкам, превышает 48 миллиардов долларов США и продолжает расти. Для любой компании, только вступающей в этот сектор электроники, занять хотя бы 1 процент рынка уже будет являтся если не достижением, то, по крайней мере, оправданным вложением интеллектуальной собственности и денежных средств на разработку.
До недавнего времени этот рынок можно было назвать сформировавшимся и устоявшимся с точки зрения основных игроков – производителей микросхем памяти, и с точки зрения применяемых технологий. Существует ряд успешно зарекомендовавших себя технологий памяти, таких как FLASH, EEPROM, DRAM, SRAM и другие, закрывающих каждая свою нишу потребностей в хранении информации, краткосрочной либо долгосрочной. Кроме того, были достигнуты определенные успехи в создании универсальной памяти, сочетающей в себе преимущества как оперативной, так и энергонезависимой памяти, например FRAM и т.п.
Для того чтобы выйти на рынок и не быть статистом второго десятка производителей устройств памяти, необходимо предложить новый, уникальный продукт, сочетающий в себе основные преимущества всех распространенных технологий: энергонезависимое хранение данных практически неограниченный период времени без необходимости регенерации, скорость чтения/записи, сравнимую с лидирующей на сегодняшней день технологией SRAM, неограниченное число циклов стирания/записи данных, высокую масштабируемость и плотность ячеек для создания памяти различного объема. Задача на первый взгляд кажется невыполнимой, однако наиболее близко к достижению подобного результата подошла технология MRAM. Конечно, скорость чтения/записи еще не достигла долей наносекунд, пока не отработаны технологические процессы создания микросхем MRAM в сотни мегабит и в компактных корпусах, стоимость не всегда та, что хотелось бы. Но уже сейчас можно с достаточной уверенностью утверждать что технология MRAM преодолеет эти недостатки, и через несколько лет постепенно начнет отвоевывать значительную часть рынка у подавляющего числа существующих технологий памяти. На чем основаны такие утверждения? Рассмотрим отличительные особенности памяти MRAM в сравнении с распространенными технологиями более подробно (таблица 1).
| |
MRAM |
SRAM |
DRAM |
FLASH |
FRAM |
| Скорость чтения |
Высокая |
Самая высокая |
Средняя |
Высокая |
Высокая |
| Скорость записи |
Высокая |
Самая высокая |
Средняя |
Низкая |
Средняя |
| Масштабируемость |
Хорошая |
Хорошая |
Ограниченная |
Ограниченная |
Ограниченная |
| Плотность ячеек |
Средняя/высокая |
Низкая |
Высокая |
Средняя |
Средняя |
| Энергонезависимость |
Да |
Нет |
Нет |
Да |
Да |
| Число циклов стирания/записи |
Неограниченное |
Неограниченное |
Неограниченное |
Ограниченное |
Ограниченное |
| Ток утечки ячеек |
Низкий |
Низкий/Высокий |
Высокий |
Низкий |
Низкий |
| Возможность работы при низких напряжениях |
Да |
Да |
Ограниченная |
Ограниченная |
Ограниченная |
| Сложность производства |
Средняя |
Низкая |
Средняя |
Средняя |
Средняя |
Таблица 1. Сравнительные характеристики основных типов памяти
Автономная, электрически стираемая и электрически программируемая память EEPROM на данный момент находится на последних стадиях своего жизненного цикла и находит применение только в специфических областях, где необходимо энергонезависимое хранение данных с возможностью перезаписи. Память EEPROM обладает на порядок большим числом циклов перезаписи по сранению с FLASH памятью, что делает ее незаменимой в таких приложениях, как, например, автомобильная электроника. Но значительно более медленная скорость работы, а также лимитированное число циклов перезаписи (по сравнению с MRAM) не позволяют использовать память в качестве оперативной, а только для хранения кода программ либо энергонезависимого хранения различных данных, не требующих частого изменения либо обращения к ним.
Память типа FLASH появилась более 20 лет назад и была нацелена на повсеместную замену памяти типа EPROM/EEPROM. Она вполне оправдала свое назначение и в большей мере выполнила свою цель не смотря на ряд недостатков при работе с ней. Магниторезистивная память лишена этих особенностей в работе что и дает ей значительное преимущество перед Flash.
В транзисторной структуре Flash-памяти используется заряд, накопленный на участках кристалла, расположенных на слое оксида (так называемые плавающие затворы). Программирование битового элемента Flash-памяти требует приложения высокого напряжения, в поле которого электроны смогут разогнаться до скорости, достаточной для преодоления потенциального барьера слоя оксида, расположенного между кремнием и плавающим затвором. Это приводит к тому, что электроны преодолевают слой оксида, и заряжают плавающий затвор, что в свою очередь изменяет пороговое напряжение транзистора битового элемента. Периодическое прохождение электронов через оксид вызывает постепенное изнашивание оксидного материала. В результате Flash-память может быть перезаписана примерно 10K-1M раз прежде, чем битовая ячейка перестанет функционировать, в зависимости от условий эксплуатации. При частой перезаписи, например 1..2 раза каждую секунду, модули Flash-памяти могут исчерпать свой лимит циклов стирание/программирование всего за несколько дней.
Память типа MRAM, в отличие от Flash, обладает бесконечным числом циклов стирание/программирование из-за принципиально другой технологии записи и хранения информации в битовых ячейках. Здесь программирование происходит путём изменения полярности магнитных слоёв, а данная операция не разрушает материал, из которого состоят ячейки памяти. При программировании памяти MRAM используется ток для создания магнитного поля и изменения полярности свободного слоя.
Со временем, производители Flash-памяти столкнулись с определенными технологическими ограничениями по мере того как уменьшался размер битовой ячейки. Существует граница, при которой транзисторные структуры битовых ячеек не в состоянии выдерживать подводимое к ним повышенное напряжение программирования. Этим, в частности, объясняется посредственная масштабируемость и плотность ячеек Flash-памяти.
К другим недостаткам Flash-памяти стоит отнести низкую скорость записи, а также поблочный характер стирания/программирования ячеек памяти. В MRAM же, напротив, можно стирать и программировать отдельные ячейки независимо друг от друга. Кроме того, в отличие от Flash, магниторезистивная память не требует предварительного стирания байта перед его перезаписью.
Динамическая память DRAM требует частого перепрограммирования ячеек для сохранения данных, что приводит к повышенному потреблению электроэнергии и к невозможности использования ее в качестве энергонезависимой памяти. Но благодаря высокой плотности ячеек памяти технология DRAM позволяет создавать микросхемы объемом в десятки и сотни мегабит. В сочетании с приемлемой скоростью чтения/записи память получила широкое распространение в качестве оперативной памяти, в частности, в персональных компьютерах.
Статическая память SRAM обладает самой высокой скоростью чтения/записи среди всех распространенных на сегодняшний день технологий и неограниченным числом циклов перезаписи. Благодаря этим особенностям память типа SRAM получина наибольшее распространение в качестве кэш-памяти, буферной и оперативной памяти, где требуется повышенная скорость при обрашении к данным. Но, вследствие низкой плотности ячеек технология не позволяет создавать память SRAM значительного объема (десятки – сотни мегабит) в малом форм-факторе.
Память SRAM требует постоянного питания для хранения информации из-за использования активных транзисторов в битовых ячейках, поддерживающих необходимые логические CMOS-уровни напряжения. Структура памяти MRAM состоит из массива ячеек, у каждой из которых своя определённая полярность свободного магнитного слоя, определяющего значение бита. Благодаря магнитным свойствам свободного слоя значение битовой ячейки может сохраняться и без непрерывной подачи напряжения питания к микросхеме.
По мере развития технологии SRAM размеры ячеек памяти продолжают уменьшать, емкость микросхем увеличивается – все это приводит, в итоге, к увеличению токов утечки микросхем в целом. Сами по себе токи малы для отдельных ячеек памяти SRAM, но когда число ячеек достигает нескольких миллионов в устройстве, суммарный ток утечки представляется существенным, и эта тенденция сохранится и в дальнейшем. Поскольку память MRAM является энергонезависимой, то при использовании новых, эффективных методов снижения энергопотребления, токи утечки при наличие питающего напряжения могут быть сведены к нулю.
Статическую память с резервным батарейным питанием (Battery Backed SRAM) можно назвать универсальной памятью, но с существенными ограничениями. Такая память содержит в едином корпусе модуль памяти SRAM и батарею, благодаря чему и обеспечивается ее энергонезависимость. Однако встроенные батареи имеют ограниченный срок службы, лимитированную емкость вследствие компактных размеров, а ее наличие в устройстве создает дополнительные проблемы при хранении, монтаже и эксплуатации памяти с батарейным резервированием. Нельзя забывать и про сильную температурную зависимость характеристик батареи и дополнительные сложности при утилизации устройств.
Память MRAM, с другой стороны, не требует дополнительных источников энергии для хранения данных. Скорость записи/стирания у памяти MRAM быстрее, чем аналогичная скорость у Battery backed SRAM. Отсутствие батареи означает большую надежность и долговечность памяти MRAM, независимость ее рабочих характеристик от температуры во всем диапазоне, определенным производителем.
Технология энергонезависимой памяти SRAM (NVSRAM – Non Volatile SRAM) заключается в комбинации двух типов памяти SRAM и EEPROM в одном корпусе. В NVSRAM, при пропадании напряжения питания, данные из SRAM переносятся в EEPROM и хранятся там до появления питающего напряжения.
Запись данных в EEPROM происходит достаточно медленно, для чего возникает необходимость во внешнем конденсаторе большой емкости для поддержания напряжения питания на модуле NVSRAM в период копирования данных. Лимитированное время разряда конденсатора, а также малая скорость копирования данных, накладывают ограничения на объем резервируемых данных.
Энергонезависимая ферроэлектрическая память FRAM до недавнего времени являлась наиболее полно соответствующей определению универсальной памяти из доступных на рынке серийно выпускаемых микросхем. Компании RAMTRON и FUJITSU первыми предложили продукты на базе технологии FRAM. Данная память достаточно быстрая, дешевая в производстве, малопотребляющая в режимах чтения и записи по сравнению с другими типами ПЗУ памяти, но при этом обладает малой масштабируемостью и плотностью ячеек. Технология FRAM постепенно приближается к физическому пределу минимального размера ячейки, и дальнейшее уменьшение размера битового элемента сопряжено с существенными техническими и технологическими проблемами. На сегодняшний день объемы FRAM памяти составляют от единиц килобит до единиц мегабит. Производителями предпринимаются попытки создания памяти объемом в десятки мегабит, компании демонстрируют образцы микросхем объемом 16, 32 и даже 64 Мбит, однако серийное производство, если и будет возможно, то не раньшем чем через 3…5 лет.
Технология MRAM не накладывает ограничения на объем памяти, пока лишь цена производства и новизна технологии сдерживают выпуск и распространение микросхем памяти различного объема.
По сравнению с технологией FRAM, скорость чтения/записи ячеек памяти MRAM выше. Также FRAM имеет определенные ограничения по количеству циклов стирание/программирование, однако производители микросхем FRAM памяти заявляют об отсутствии этого ограничения в своих последних продуктах. К тому же FRAM модули требуют повторной перезаписи данных в ячейки после их считывания. Этот эффект связан с деградацией битовых ячеек памяти FRAM при операции чтения. В результате, это может привести к потере данных если произойдет случайное отключение питания во время операции чтения, что для энергонезависимой памяти является очень существенным недостатком.
СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ БИТОВЫХ ЯЧЕЕК MRAM
Микросхема MR2A16A состоит из массива ячеек памяти, каждая из которых содержит один транзистор и один магнитный туннельный переход (1T1MTJ). Магнитный туннельный переход, или MTJ, является основой битовой ячейки MRAM. Он состоит из очень тонкого диэлектрического слоя оксида алюминия (AlOx), помещенного между двумя магнитными слоями. Такая трехслойная композиция получина название битовой ячейки Савченко, по фамилии её изобретателя из России. Каждый из магнитных слоев имеет свою полярность. Верхний магнитный слой называют свободным слоем и он может изменять свою полярность. Магнитный слой основания называют фиксированным слоем, его полярность заблокирована и не изменяется.
Полярность свободного слоя определяет состояние бита: запрограммирован бит как логический ноль или как логическая единица. Когда полярность свободного слоя и полярность фиксированного слоя сориентированы в одном направлении, сопротивление структуры MTJ низкое. (рис. 1). Когда полярность свободного и фиксированного слоев развёрнуты на 180 градусов относительно друг друга (направлены в противоположные стороны), сопротивление структуры MTJ высокое (рис. 1). Низкое или высокое сопротивление через переход MTJ определяет, будет ли прочитано содержимое ячейки как «0» или «1» соответственно при прохождении через ячейку тока чтения.
Рис. 1. Расположение магнитных слоев битовой ячейки 1Т1MTJ памяти MRAM при значении «0» и «1».
Во время операции программирования бита, полярность свободного слоя принимает одно из двух возможных состояний. Полярность задается с помощью внутренних медных проводников, расположенных в перпендикулярных направлениях относительно друг друга на вершине и в основании структуры MTJ. Импульсы тока, протекающего через перпендикулярно расположенные медные проводники, создают магнитное поле, которое изменяет полярность свободного слоя той битовой ячейки, которая находится в области перекрещивания проводников (рис. 2.)
Рис. 2. Битовая ячейка 1T1MTJ: упрощенная структура, режимы чтения и записи.
Данная трехслойная структура повышает скорость и стабильность стирания/записи, однако требует несколько более высокого тока для выполнения этих операций. Например, ток, необходимый для стирания/записи одного бита, при определенных условиях, может достигать 10мА, что приводит к потреблению порядка 160мА при сохранении 16-разрядного числа. Однако, на практике эта ситуация нетипична – при сохранении байт данных не все биты требуют изменения, если только мы не меняем значение байта с «FF» на «00» и обратно. Кроме того, процесс стирания/записи требует крайне малого времени, порядка 25нс. В результате, фактическое потребление микросхемы памяти типа MRAM выигрывает по сравнению с аналогичными показателями других типов ПЗУ памяти, которые, к тому же, существенно медленнее по скорости работы.
При проектировании памяти MRAM, пригодной для серийного производства, разработчики столкнулись с серьезной проблемой. А именно, с высокой чувствительностью к случайному битовому перемагничиванию. В момент когда происходит программирование определенного бита памяти, высока вероятность того, что свободный магнитный слой соседних бит может быть также непреднамеренно запрограммирован. Инженеры компании Freescale преодолели эту проблему, создав бистабильную битовую ячейку, в которой всегда создается одинаковый магнитный момент и в одинаковом направлении каждый раз, когда состояние бита необходимо изменить. Импульсы тока на линии 1 (write line 1) и линии 2 (write line 2) меняют полярность свободного слоя определенной ячейки, не внося изменения в биты в том же ряду или столбце, где находится целевой бит. Для повышения стабильности программирования и дальнейшего снижения вероятности непреднамеренного перемагничивания медные проводники с трех сторон закрыли специальным изолирующим экраном, предотвращающим паразитные наводки на соседние битовые ячейки. Кроме этого изолирующий экран направляет и фокусирует магнитное поле только на целевой битовой ячейке, что позволило существенно снизить ток программирования.
МИКРОСХЕМА ПАМЯТИ MR2A16A
Микросхема MR2A16A является только первым продуктом от компании Freescale в линейке микросхем памяти. Модуль памяти MR2A16A изготовлен по технологии 0.18µm и является уже вторым поколением устройств на базе технологии MRAM от Freescale. Емкость микросхемы составляет 4 мегабита с организацией 256К х 16 бит. Управление осуществляется по стандартным входам: chip enable, write enable, output enable и upper/lower byte select, обеспечивающим гибкость системы и предотвращающим конфликтные ситуации при обращении к шине (таблица 2). В зависимости от состояния управляющих входов данные могут быть записаны/считаны как в восьмибитном, так и в шестнадцатибитном формате. Устройство также поддерживает полностью статические операции. Внутренняя структура микросхемы памяти представлена на рисунке 3.
Таблица 2. Функции выводов MR2A16A
Рис. 3. Блок-схема MR2A16A
Времена циклов чтения/записи/стирания крайне малы, симментричны по длительности и составляют 35 наносекунд. Диапазон рабочих напряжений микросхемы – от 3В до 3.6В, встроенная схема монитора питания предотвращяет запись ячеек памяти при снижении уровня питающего напряжения более чем на 0.5В относительно рабочего уровня напряжения. Микросхемы MRAM образца 2006 года имеют рабочий температурный диапазон от 0ºС до +70ºС. Во втором квартале 2007 года компания Freescale начнет серийный выпуск микросхем MR2A16A с рабочим температурным диапазоном от -40ºС до +105ºС. В третьем квартеле 2007 года компания планирует анонсировать новые продукты на базе технологии MRAM. Ожидается что следующими в линейке микросхем будут модули памяти объемом 1 мегабит и 16 мегабит.
Микросхемы MR2A16A выпускаются в корпусе 44-TSOP (type-II) в соответствие с техническими условиями RoHS. Внутри корпуса микросхемы интегрировано защитное экранирование от внешних электромагнитных помех. Конфигурация выводов MR2A16A полностью соответствует микросхемам памяти типа SRAM, по принципу работы с памятью MRAM также схожа с SRAM (рис. 4). Таким образом, чипы памяти MR2A16A могут быть применены в существующих устройствах и системах, которые на данный момент используют память SRAM, без каких-либо изменений в схеме.
Рис. 4. Внешний вид корпуса 44-TSOP микросхемы MR2A16A
Данные сохраняются в ячейках за счет поляризации, а не за счет заряда, что позволяет сохранять информацию без регенерации и питающего напряжения как минимум 10 лет и более. Благодаря тому, что переключение состояния битов осуществляется без перемещения атомов и электронов внутри материалов, отсутствует эффект постепенной деградации внутренней структуры битовой ячейки и обеспечивается стабильность характеристик памяти во время всего срока службы микросхемы.
Память MRAM имеет практически бесконечное количество циклов перезаписи, составляющее более чем 1016, причем структура ячеек памяти и рабочие характеристики не деградируют в процессе эксплуатации во всем диапазоне рабочих температур и напряжений.
Эмпирические исследования показали, что ячейки памяти MR2A16A выдерживают более чем 58 триллионов циклов записи и стирания, находясь в наихудших эксплуатационных условиях. До настоящего времени не было зарегистрировано ни одного сбоя в работе ячеек памяти, и эксперимент по тестированию количества циклов записи/стирания ячеек памяти MRAM на данный момент продолжается. В ходе испытаний микросхемы MR2A16A работали на частоте 4МГц при температуре окружающей среды +90ºС и на частоте 28,5МГц при температуре окрыжающей среды +70ºС.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИ MRAM
На сегодняшний день основными сдерживающими факторами для начала массового применения памяти MRAM явлются стоимость самих микросхем и скудность линейки продуктов с различным объемом памяти. Пока разработчикам доступна только одна микросхема объемом 4 мегабита. Но, по мере удешевления технологии производства и с появлением новых продуктов MRAM от различных производителей стоимость элементов памяти будет стремительно снижаться. Однако уже сейчас можно говорить о многочисленных областях электронной промышленности, в которых будет экономически оправдано использование магниторезистивной памяти.
Наиболее высока потребность в памяти MRAM в коммерческих системах, где требуется сохранение данных при различных нештатных ситуациях, например аварийном отключении питающего напряжения. Также данная память – идеальное решение для различных регистраторов и устройств типа «черного ящика». Данные могут сохраняться на скоростях, сравнимых с памятью типа SRAM, однако не будут утеряны вследствие отключения электроэнергии.
Другим ключевым рынком применения памяти MRAM являются приложения, в которых используется память SRAM с батарейным резервным питанием либо NVSRAM (рис. 5). По экономической эффективности, техническим и потребительским параметрам замена памяти на MRAM в подобного рода приложениях оправдана более чем в 80% случаев.
Рис. 5. MRAM в качестве альтернативы памяти Battery Backed SRAM.
Рынок устройств автомобильной электроники будет также в числе первых и основных потребителей магниторезистивной памяти. Осталось дождаться появления микросхем MRAM с автомобильным либо промышленным температурными диапазонами, тем более что уже давно назрела потребность в более надежной, долговечной, быстрой и эффективной памяти, нежели распространенные EEPROM и FLASH.
В одних электронных системах автомобиля уже сейчас процесс записи не успевает за потоком исходных данных, в других данные необходимо сохранять достаточно часто – все это заставляет разработчиков систем идти на различные ухищрения. Автомобильные «аварийные регистраторы» также, используя MRAM, будут в состоянии собрать и сохранить значительное количество данных непосредственно перед и во время аварии, что может быть крайне полезно, например, для страховых компаний либо в суде при определении причины аварии и прочее.
Память типа MRAM может эффективно использоваться в системах безопасности, например, во время шифрования. Параметры шифрования могут быть быстро сохранены в памяти и храниться в течение времени, пока система находится в спящем состоянии или выключена.
К другим областям применения памяти MRAM можно отнести:
- Персональные компьютеры, офисная техника (мобильные и стационарные ПК, принтеры, факсы, сканеры и т.п.);
- Мобильные, носимые устройства (сотовые телефоны, MP3 плееры, фото-, видео-камеры, PDAs, и прочее);
- Замена ОЗУ с резервным батарейным питанием;
- Хранение первоначальных установок и программ загрузчиков в разнообразных устройствах;
- Энергонезависимые буферы хранения оперативной информации в серверах и RAID массивах;
- Промышленные контроллеры;
- Счетчики и расходомеры (электричество, тепло, вода и прочее);
- Авиационная техника, военные приложения;
- Торговое, кассовое оборудование;
- Охранно-пожарные системы (журналы событий и т.п.);
- Хранение данных в различном медицинском оборудовании;
- Расширение оперативной памяти в коммуникационных приложениях и приложениях требующих частого обращения к обрабатываемым данным.
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Компания Freescale планирует развивать MRAM продукты в двух направлениях: выпуск отдельных чипов памяти и интеграция в собственные 8-, 16- и 32-разрядные микроконтроллеры и микропроцессоры.
По мере совершенствования технологии магниторезистивной памяти, встраиваемые системы подвергнутся радикальной перемене в архитектуре. В настоящее время, MRAM имеет наилучший потенциал по замене комбинации различных типов памяти, например, SRAM + Flash + ROM, применяемых сейчас в большинстве микроконтроллеров и систем на кристалле, обладая достоинствами всех перечисленных типов. Таким образом, станет возможна архитектура микроконтроллеров с единственной универсальной памятью – single-memory architecture.
Через 3…5 лет возможно появление персональных компьютеров с магниторезистивной памятью. На первоначальной стадии начнется производство ПК, в которых FLASH память для хранения базовой системы ввода/вывода (т.н. BIOS) будет заменена на память MRAM. В дальнейшем, по мере увеличения объемов и скоростей работы MRAM, начнется постепенная замена оперативной и кэш-памяти в ПК.
Уже сейчас появляются портативные ПК, в которых нокопители на жестких дисках заменяются памятью типа FLASH. Если в процессе развития технологии MRAM не возникнет ограничений на создание памяти объемом в десятки и сотни гигабит в компактном форм-факторе, следует ожидать появления быстродействующих накопителей для хранения прикладного программного обеспечения и данных. Это даст возможность создавать персональные компьютеры и другие системы и устройства, которые будет загружаться практически мгновенно, по сравнению, например, с нынешники ПК, в которых процесс загрузки занимает от десятков секунд до нескольких минут. Кроме того, появится возможность возобновлять выполнение программ после включения устройства с того момента, на котором они прервались при выключении напряжения питания.
В результате, через несколько лет технология MRAM постепенно начнет не только осваивать новые области применения памяти, но и сможет взять на себя значительную часть уже имеющегося рынка полупроводниковой памяти, заменяя распространенные сегодня энергонезависимые EEPROM, FLASH, FRAM, а также наиболее популярные быстродействующие типы памяти как статическая SRAM и динамическая DRAM и другие.
Недавно компания Siemens представила общественности первые сенсорные операционные панели Simatic Multipanel MP 277 и Simatic Multipanel MP 377, в которых используются 4-мегабитные модули магниторезистивной памяти компании Freescale Semiconductors. Это первый массовый опыт использования этого типа памяти. Такие шаги способствуют совершенствованию технологии MRAM, ее развитию на рынке электроники с вытеснением устаревших технологий хранения информации и как результат снижения себестоимости. В ближайшее время магниторезистивная память будет применена в многих проектах, где важную роль играет быстродействие, надежность и энергоэкономичнеость конечного изделия.
Таким образом, компания Freescale сделала еще один виток в эволюции электроники, тем самым утвердив свое лидирующее место в области производства полупроводниковых компонентов. Более подробную информацию о продукции компании Freescale Вы можете получить в офисе «GRAND Electronic» .
ЛИТЕРАТУРА
1. По материалам статьи "Магниторезистивная память MRAM - быстродействующие ОЗУ и ПЗУ в одной микросхеме", журнал "Электронные компоненты" №1, 2007".
2. MRAM Joins the Memory Market, Tom Lee. Electronic Engineering Times-Asia, October 16-31, 2006.
3. www.freescale.com/mram
|
