O introducere în noua generație MRAM: memoria nevolatilă de mare viteză își extinde constant utilizarea în sistemele embedded, echipamentele industriale și aplicațiile Edge AI, unde atât performanța, cât și fiabilitatea sunt esențiale.
Pe scurt:
- Printre caracteristicile esențiale ale noii generații de memorii MRAM se numără nevolatilitatea combinată cu viteza ridicată, rezistența ridicată la cicluri de scriere și consumul redus de energie.
- MRAM nu mai este o tehnologie a viitorului – este deja utilizată în aplicații reale, iar domeniile sale de utilizare continuă să se extindă pe măsură ce avantajele acestei tehnologii sunt recunoscute tot mai mult.
- Sunt prezentate exemple concrete de utilizare a memoriei MRAM în medii cu câmpuri magnetice externe.
MRAM – o nouă tehnologie de memorie
MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) este o tehnologie de memorie de nouă generație care combină nevolatilitatea cu performanțe ridicate de citire și scriere – două caracteristici care, în mod tradițional, implicau compromisuri.
Spre deosebire de SRAM, care este rapidă, dar volatilă, sau de memoria flash, care este nevolatilă, dar relativ lentă și are o rezistență limitată la ciclurile de scriere, MRAM oferă atât viteză, cât și retenție a datelor.
Prin reunirea într-o singură tehnologie a performanței ridicate, nevolatilității și rezistenței ridicate la scriere, MRAM face legătura între memoria volatilă rapidă și memoria nevolatilă, mai lentă. Aceste avantaje au condus la adoptarea tot mai largă a MRAM în sisteme embedded și industriale, aplicații Edge AI și IoT, precum și în sisteme critice, unde performanța și fiabilitatea sunt esențiale.
Studiile de piață reflectă această tendință: potrivit Mordor Intelligence, piața globală MRAM este estimată să crească cu o rată anuală compusă de creștere (CAGR) de 32,72% în perioada 2026–2031, ajungând la 18,24 miliarde USD până în 20311.
Cum funcționează MRAM – stocarea datelor cu ajutorul magnetismului
Figura 1: Cum funcționează MRAM. (Sursă: Renesas)
Spre deosebire de memoriile convenționale, care stochează datele sub formă de sarcină electrică, MRAM stochează informația folosind proprietăți magnetice. În timp ce SRAM atinge viteze foarte mari prin reținerea electrică a datelor – pierzând toate informațiile la întreruperea alimentării – MRAM stochează datele pe baza direcției de magnetizare, asigurând o stocare nevolatilă chiar și în absența alimentării.
O celulă MRAM are la bază o joncțiune magnetică tunel (MTJ – Magnetic Tunnel Junction), alcătuită dintr-un strat magnetic fix și un strat magnetic liber, separate de un strat izolator foarte subțire, care formează bariera de tunelare. Modificările alinierii magnetizării dintre aceste straturi conduc la stări de rezistență diferite, care sunt citite ca valori digitale “0” sau “1”. Deoarece datele sunt stocate magnetic și nu electric, MRAM poate păstra datele în mod fiabil de-a lungul ciclurilor de alimentare (Figura 1).
Caracteristici cheie ale MRAM
Combinarea nevolatilității cu viteza ridicată
În comparație cu microcontrolerele (MCU) care utilizează memorie flash încorporată pentru stocarea codului, microcontrolerele bazate pe MRAM, cum ar fi RA8P1, ating performanțe de scriere semnificativ mai rapide. Timpul de scriere poate fi redus cu aproximativ 98%, îmbunătățind considerabil performanța sistemului în aplicații care implică actualizări frecvente ale memoriei, inclusiv actualizări de firmware, înregistrarea datelor și stocarea parametrilor.
Rezistență ridicată la ciclurile de scriere
MRAM este foarte potrivită pentru operațiuni repetate de scriere, deoarece inversarea magnetizării nu are, în sine, o limită fundamentală în privința numărului de cicluri. În timp ce memoria flash suportă, de regulă, doar de la câteva mii la câteva zeci de mii de cicluri de scriere/ștergere, MRAM oferă o rezistență ridicată atât pentru stocarea codului, cât și a datelor, fiind astfel potrivită pentru sistemele care necesită actualizări frecvente ale datelor.
Consum redus de energie
Figura 2: Caracteristici cheie ale MRAM. (Sursă: Renesas)
MRAM păstrează datele fără a consuma energie, ceea ce o face potrivită pentru sistemele cu consum redus de putere. În plus, microcontrolerul RA8P1 atinge un curent de funcționare cu aproximativ 47% mai mic comparativ cu produsele convenționale, în condiții echivalente. Prin combinarea vitezei ridicate cu consumul redus de energie, MRAM permite proiectarea unor sisteme eficiente energetic și de înaltă performanță (Figura 2).
Aplicații cheie ale MRAM
MRAM este deja utilizată în practică, iar domeniile sale de aplicare continuă să se extindă pe măsură ce avantajele acestei tehnologii sunt recunoscute tot mai mult.
Sisteme embedded, IoT și industriale
MRAM este utilizată din ce în ce mai mult pentru stocarea datelor de configurare, înregistrarea datelor și stocarea firmware-ului în sisteme embedded, IoT și industriale. Capacitatea de scriere la nivel de octet, accesul rapid și păstrarea fiabilă a datelor în cazul întreruperii alimentării o fac potrivită pentru aplicații care necesită actualizări frecvente și funcționare stabilă, inclusiv la temperaturi ridicate și în regim de funcționare continuă.
Stocare
MRAM este utilizată tot mai mult și în aplicații de stocare, datorită rezistenței ridicate la ciclurile de scriere și toleranței ridicate la întreruperile neașteptate ale alimentării.
Printre exemplele tipice se numără memoria cache din SSD-uri, gestionarea stării și stocarea jurnalelor. În sarcinile de lucru care necesită operațiuni de scriere frecvente și de mare viteză, caracteristicile MRAM oferă avantaje clare față de tehnologiile convenționale de memorie.
Aplicații aerospațiale
În aplicațiile aerospațiale, dispozitivele de memorie sunt adesea expuse unor condiții dificile, inclusiv unor niveluri ridicate de radiații, în care tehnologiile convenționale de memorie pot fi vulnerabile.
MRAM a demonstrat o funcționare relativ stabilă în astfel de condiții, ceea ce a dus la utilizarea sa în aplicații precum sistemele de control al atitudinii sateliților și computerele de control de la bord. Rezistența la degradarea performanței, chiar și în condițiile unor operațiuni frecvente de scriere, reprezintă unul dintre principalele motive pentru care această tehnologie este apreciată în domeniul aerospațial.
Aplicabilitatea MRAM în medii cu câmp magnetic extern
- Toleranța MRAM la câmpurile magnetice externe – Renesas Electronics definește limite orientative pentru densitatea fluxului magnetic la suprafața microcontrolerului (MCU), pentru a asigura utilizarea în siguranță a microcontrolerelor bazate pe MRAM:
- Operare (scriere/citire): până la 200 G
- Stocare / stare inactivă / alimentare oprită: până la 500 G
Câmpurile magnetice foarte puternice, care depășesc specificațiile de imunitate magnetică ale microcontrolerului, pot influența datele stocate, deoarece MRAM utilizează starea magnetică a unei joncțiuni MTJ pentru stocarea informației.
Acest fapt conduce uneori la presupunerea că „MRAM nu poate fi utilizată în apropierea motoarelor sau a inductoarelor”. În practică, însă, astfel de preocupări sunt, în general, nejustificate în cazul proiectelor tipice de sisteme embedded și industriale.
- Densitatea fluxului magnetic în jurul motoarelor și inductoarelor – pentru a evalua dacă microcontrolerele bazate pe MRAM pot fi utilizate în siguranță în condiții reale de funcționare, Renesas Electronics a efectuat măsurători ale densității fluxului magnetic în apropierea unor componente generatoare de câmp magnetic, precum motoarele și inductoarele.
Tabelul 1: Densitatea fluxului magnetic în jurul motoarelor
Concluzia 1: Densitatea fluxului magnetic în jurul motoarelor este relativ redusă. Măsurătorile efectuate atât pe motoare sincrone cu magneți permanenți (PMSM) de dimensiuni mici, cât și pe modele de dimensiuni mari au arătat că învelișul exterior al motorului acționează ca un ecran magnetic. Drept urmare, câmpurile magnetice măsurate în exterior sunt de numai câțiva gauss sau chiar mai mici, inclusiv în timpul funcționării. Aceste niveluri reduse ale câmpului magnetic au un impact neglijabil asupra funcționării MRAM și asupra retenției datelor.
Carcasele realizate din oțel sau din alte materiale magnetice sporesc și mai mult efectul de ecranare, prin reducerea fluxului magnetic de dispersie.
Pe baza acestor constatări, MRAM poate fi considerată adecvată pentru utilizarea în configurații tipice de sistem, precum echipamentele de control al motoarelor, invertoarele și PLC-urile industriale.
Câmpurile magnetice generate de inductoare
Concluzia 2: Măsurătorile efectuate asupra inductoarelor utilizate în circuitele de alimentare au arătat că, inclusiv în condiții de curent ridicat, cea mai mare parte a fluxului magnetic rămâne concentrată în interiorul miezului. Ca urmare, densitatea fluxului magnetic de dispersie în exteriorul componentei este foarte redusă.
Tabelul 2: Densitatea fluxului magnetic în jurul inductoarelor
De exemplu, măsurătorile efectuate asupra unui inductor cu întrefier au confirmat că densitatea fluxului magnetic de dispersie s-a menținut sub aproximativ 10 gauss, cu mult sub nivelurile care ar putea afecta funcționarea MRAM sau retenția datelor.
O evaluare suplimentară a unui inductor de putere pentru curenți ridicați (Sagami Elec., CVK2522H-5R4M) a arătat că densitatea fluxului magnetic scade până la 200 gauss sau mai puțin, la o distanță de numai câțiva milimetri, chiar și la 100 A. Prin urmare, cu excepția situației în care un inductor și un microcontroler (MCU) bazat pe MRAM sunt amplasate extrem de aproape unul de celălalt pe placa de circuit imprimat (PCB), este puțin probabil ca densitatea fluxului magnetic să depășească limita de toleranță a MRAM.
În aceleași condiții de testare, un inductor cu miez de ferită, având dimensiuni și o inductanță echivalente, a prezentat o scădere și mai rapidă a densității fluxului magnetic, aceasta ajungând la 200 gauss sau mai puțin la o distanță de aproximativ 0,5 mm.
- Amplasarea relativă a surselor de câmp magnetic și a microcontrolerelor în aplicații reale – pe baza configurațiilor întâlnite în aplicații reale, Renesas Electronics a analizat amplasarea fizică tipică a surselor de câmp magnetic – precum motoarele, inductoarele și magneții permanenți – în raport cu microcontrolerele de comandă.
Amplasarea relativă a surselor de câmp magnetic și a microcontrolerelor în aplicații reale
În majoritatea aplicațiilor practice, sursele de câmp magnetic și microcontrolerul sunt separate prin distanțe suficiente, ca urmare a constrângerilor de proiectare mecanică și structurală. Așadar, influența densității fluxului magnetic asupra microcontrolerului poate fi considerată neglijabilă în practică.
Figura 3: Într-o mașină de spălat cu tambur, microcontrolerul și motorul sunt separate fizic. (Sursă: Renesas)
În produsele uzuale de larg consum și în aplicațiile industriale – precum aparatele de aer condiționat, mașinile de spălat și frigiderele – componentele de acționare, inclusiv motoarele, ventilatoarele și pompele, sunt separate fizic de placa de circuit imprimat (PCB) de comandă, pe care este amplasat microcontrolerul (Figura 3).
Prin urmare, chiar dacă în apropierea motoarelor sau a circuitelor de putere pot exista local zone cu densitate ridicată a fluxului magnetic, aceasta scade rapid odată cu distanța și nu atinge niveluri care să afecteze funcționarea MRAM.
În electronica de putere, cum ar fi în echipamentele de condiționare a energiei, sursele de alimentare pentru servere și invertoarele de uz general, mai multe componente pot acționa ca surse potențiale de câmp magnetic, printre care:
- inductoare de mari dimensiuni;
- transformatoare;
- trasee de putere cu curent ridicat.
În proiectele de sisteme tipice, însă, aceste componente sunt separate fizic de circuitele de control. Microcontrolerul este de obicei amplasat la câțiva centimetri distanță de etajul principal de putere.
Exemplu: inductoare de putere
Sagami Elec a realizat o simulare de analiză a câmpului magnetic pentru a evalua fluxul magnetic de dispersie din jurul unui inductor de putere, în condiții de curent ridicat. Distribuția câmpului magnetic în jurul inductorului a fost analizată pentru curenți mari de curent continuu.
Obiectiv
- Modelul nr. 1: Inductor de putere Sagami Elec. CVK2522H-5R4M
– Permeabilitate (μ): 40
– Dimensiuni: 20 × 25 × 22.5 mm
– Inductanță (L): 5,4 µH - Modelul nr. 2: Inductor cu miez de ferită Sagami Elec. (echivalent ca dimensiuni și inductanță cu modelul CVK2522H-5R4M)
– Permeabilitate (μ): 3000
– Dimensiuni: 26,9 × 16,5 × 22,3 mm
– Inductanță (L): 5.4 µH
Figura 4: Rezultatele simulării densității fluxului magnetic pentru CVK2522H-5R4M. (Sursă: Renesas)
Condiții de simulare
- Condiția de curent
- Curent continuu de 100 A, corespunzător unei variații a inductanței de -30% față de valoarea inițială;
- Configurația plăcii de circuit imprimat
- Dimensiunile plăcii: 75 × 75 × 1 mm
Rezultatele simulării
Nr. 1: CVK2522H-5R4M
- Planul X–Y:
O distanță de aproximativ 3,0 mm este suficientă pentru a reduce densitatea fluxului magnetic sub 200 G. - Planul Y–Z:
O distanță de aproximativ 1,5 mm este suficientă pentru a ajunge la 200 G.
Nr. 2: inductor cu miez de ferită
- Planul X–Y:
Densitatea fluxului magnetic s-a situat cu mult sub 200 G. - Planul Y–Z:
O distanță de aproximativ 0,5 mm este suficientă pentru a reduce densitatea fluxului magnetic sub 200 G.
Figura 5: Rezultatele simulării densității fluxului magnetic pentru inductorul cu miez de ferită. (Sursă: Renesas)
Rezultatele evaluării
- Chiar și în condiții de curent ridicat, miezul inductorului menține cea mai mare parte a fluxului magnetic în interior.
- Distribuția fluxului magnetic de dispersie depinde de permeabilitatea materialului (μ); materialele cu o valoare mai mare a lui μ tind, în general, să concentreze mai eficient fluxul magnetic în interiorul miezului.
- Densitatea fluxului magnetic de dispersie în zona înconjurătoare este limitată și rămâne cu mult sub nivelurile care ar putea afecta funcționarea MRAM.
Aceste rezultate oferă date care susțin o recomandare practică de proiectare: atunci când inductoarele și microcontrolerele bazate pe MRAM sunt amplasate la o distanță adecvată în circuitele tipice de alimentare, influența câmpurilor magnetice poate fi redusă suficient.
Deși câmpurile magnetice sunt concentrate în imediata apropiere a inductorului, densitatea fluxului magnetic scade rapid odată cu creșterea distanței, astfel încât impactul asupra circuitelor din jur rămâne limitat.
Concluzie
MRAM combină în mod unic funcționarea de mare viteză cu nevolatilitatea – două caracteristici dificil de obținut simultan cu ajutorul tehnologiilor convenționale de memorie. Odată cu progresele continue ale tehnologiilor de fabricație și extinderea suportului oferit de ecosistem, se preconizează că MRAM va juca un rol tot mai important în proiectarea sistemelor viitoare.
1Referință：Mordor Intelligence, Magneto-Resistive RAM (MRAM) Market – Growth Trends and Forecast, https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/magneto-resistive-ram-market）
Autor
Yukiko Date,
Product Marketing
Glosar de termeni
MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) – Memorie nevolatilă care utilizează proprietăți magnetice pentru stocarea datelor. Combină accesul rapid cu retenția informației în absența alimentării.
MTJ (Magnetic Tunnel Junction) – Joncțiune magnetică tunel aflată la baza celulei MRAM. Este alcătuită din două straturi magnetice separate de un strat izolator foarte subțire, care formează bariera de tunelare.
Nevolatilitate – Capacitatea unei memorii de a păstra datele chiar și atunci când alimentarea electrică este întreruptă.
SRAM (Static Random Access Memory) – Memorie volatilă de mare viteză care necesită alimentare permanentă pentru păstrarea datelor.
Rezistență la ciclurile de scriere (Write Endurance) – Numărul de operațiuni de scriere pe care o memorie le poate suporta fără degradarea semnificativă a funcționării.
Densitatea fluxului magnetic – Mărime fizică ce caracterizează intensitatea câmpului magnetic într-o anumită zonă. În articol este exprimată în gauss (G).
Gauss (G) – Unitate de măsură utilizată pentru densitatea fluxului magnetic. 10.000 G corespund unui tesla (T).
Permeabilitate magnetică (μ) – Proprietate a unui material care exprimă capacitatea acestuia de a susține formarea și conducerea fluxului magnetic.
Flux magnetic de dispersie – Partea fluxului magnetic care se extinde în afara traseului magnetic principal al unei componente.
Întrefier – Spațiu nemagnetic introdus într-un circuit magnetic, de exemplu în miezul unui inductor, pentru controlul caracteristicilor magnetice ale acestuia.
PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) – Motor sincron cu magneți permanenți, utilizat frecvent în sisteme de acționare eficiente energetic.
Edge AI – Procesarea algoritmilor de inteligență artificială direct la nivelul dispozitivului sau în apropierea sursei de date, fără a depinde permanent de procesarea în cloud.