Introducerea pe piață a unei tehnologii de memorie complet noi nu este o sarcină ușoară, dar Everspin Technologies, Inc. a reușit acest lucru. Piața memoriilor semiconductoare este o afacere masivă, foarte bine ancorată, cu vânzări globale mai mari de 100 de miliarde de dolari și este dominată de tehnologiile tradiționale de memorii RAM dinamice (DRAM) și NAND Flash, alături de o serie de tehnologii moștenite. Aceste tehnologii, deși abundente și cu costuri reduse, nu oferă o combinație de performanță ridicată cu persistența datelor. DRAM își pierde datele la oprirea alimentării, iar NAND, deși este nevolatilă, se va deteriora după un număr relativ mic de cicluri de scriere în memorie.
Industria investește masiv pentru a continua scalarea memoriilor tradiționale și, de asemenea, în tehnologii de memorie noi, emergente. Cu toate acestea, doar Everspin a avut succes comercial în ceea ce privește introducerea pe piață a unei noi tehnologii, MRAM, sau RAM magnetorezistivă. MRAM a început să fie comercializată pentru prima dată în 2006, când Everspin încă făcea parte din Freescale Semiconductor (acum NXP). În prezent, Everspin este o companie publică care a vândut peste 120 de milioane de memorii MRAM pe piață, cuprinzând multiple generații de tehnologii de produs pentru mii de clienți din întreaga lume. Clienții apreciază combinația unică de performanță de tip RAM cu non-volatilitate.
Noțiuni fundamentale despre MRAM
MRAM utilizează o stare magnetică pentru a stoca date, spre deosebire de stocarea sarcinilor electrice în memoriile DRAM și NAND Flash tradiționale. Sarcina electrică este susceptibilă la scurgeri și la deteriorarea dielectricului în timp, ceea ce are un impact asupra retenției datelor și a rezistenței la scriere. În MRAM, proprietatea fizică a magnetorezistenței este utilizată pentru stocarea datelor. Există două tehnologii distincte utilizate în memoriile MRAM actuale. Prima este MRAM cu comutare de câmp, numită Toggle MRAM la Everspin Technologies, în care starea magnetică, sau polaritatea, este schimbată prin aplicarea unui câmp magnetic peste o joncțiune magnetică tunel (MTJ – Magnetic Tunnel Junction). Cea de-a doua este tehnologia MRAM STT (Spin-transfer Torque), care utilizează proprietatea cuplului de transfer de spin sau manipularea spinului electronilor cu ajutorul unui curent polarizant pentru a stabili starea magnetică dorită a MTJ.
Figura 1: Funcționarea joncțiunii magnetice tunel cu comutare de câmp (Toggle Field-Switched) și cu transfer de cuplu S (S-transfer Torque). (© Everspin Technologies)
Rezistența MTJ poate fi setată la un nivel ridicat sau scăzut în funcție de direcția câmpului magnetic, oferind astfel o celulă de memorie nevolatilă. În figura 1, polaritatea magnetică este reprezentată de săgețile negre, iar curentul aplicat este reprezentat de săgețile aurii. În ambele tipuri de MTJ, există un strat fix în care polaritatea magnetică este setată permanent în timpul procesului și un strat liber în care polaritatea magnetică poate fi comutată. Atunci când polaritatea stratului fix și a stratului liber sunt aliniate în aceeași direcție, MTJ se află într-o stare de rezistență scăzută. În schimb, atunci când cele două straturi au polarități opuse, MTJ se află într-o stare de rezistență ridicată. Acest nivel de magnetorezistență poate fi detectat prin operațiunea de detectare a celulei de memorie.
Avantajele MRAM față de alte memorii nevolatile sunt următoarele:
- Ca și în cazul memoriilor FLASH nevolatile, datele nu se pierd atunci când se întrerupe alimentarea cu energie electrică
- Nu sunt necesare cicluri de programare/ștergere, ceea ce simplifică sarcina software
- Viteză rapidă, similară cu cea a SRAM, cu adresabilitate simetrică a octeților
- Anduranță practic nelimitată
- Păstrare îndelungată a datelor (10+ ani la temperaturi ridicate de până la 125°C)
Atributele memoriei MRAM fac din aceasta o memorie ideală pentru sistemele electronice industriale cu aplicații în automatizarea fabricilor, controlul proceselor și robotică. Procesele de producție din fabricile inteligente de astăzi sunt controlate cel mai adesea cu ajutorul unor controlere logice programabile (PLC), fabricate de mari furnizori industriali, cum ar fi Siemens, Schneider și Mitsubishi, pentru a numi doar câțiva. MRAM este utilizată pe scară largă în PLC-uri ca memorie pentru stocarea parametrilor de control al procesului, a rețetelor de prelucrare și a înregistrării datelor privind parametrii de fabricație în timp real. Este vital ca aceste date să fie protejate în cazul unei pene de curent, iar aici excelează MRAM. De asemenea, clienții trebuie să păstreze datele pentru perioade lungi de timp, iar aici, din nou, MRAM, având timpi de păstrare a datelor de peste 20 de ani, este perfect potrivită pentru această sarcină. Deoarece există date în timp real care sunt înregistrate în permanență, este important să existe posibilitatea de a scrie în memorie de mai multe ori, fără a uza celulele de memorie. MRAM nu are mecanismul de uzură care este asociat cu tehnologia Flash și are rezistența necesară pentru a funcționa timp de zeci de ani.
Există preocupări similare în ceea ce privește protecția datelor critice ale sistemului în aplicații precum cele din industria aeronautică, aerospațială, instrumente medicale, industria auto, transporturi comerciale, jocuri de noroc în cazinouri și stocarea datelor de întreprindere în centrele de date. Toate aceste aplicații, și nu numai, utilizează în prezent MRAM. Memoria MRAM și-a făcut loc în industria memoriilor ca produs de înaltă performanță și fiabilitate, în care se pot încredința cele mai importante date.
Atingerea de noi frontiere
Unul dintre neajunsurile celulelor de memorie bazate pe sarcini electrice este că acestea sunt ușor de perturbat sau de alterat de radiațiile externe. Celulele MRAM sunt imune, prin natura lor, la efectele radiațiilor și, prin urmare, tehnologia MRAM este utilizată în aplicații esențiale din domeniul aerospațial și al apărării, inclusiv sateliți și misiuni de zbor în spațiu. Această tehnologie este, de asemenea, o alegere populară în avioanele comerciale și militare într-o varietate de aplicații, inclusiv controlul zborului, înregistratoare și sisteme de confort în cabină. Recent, Frontgrade Technologies a anunțat că memoria sa MRAM este utilizată în viitoarea misiune ESA Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE). Frontgrade, anterior CAES, deține o licență pentru tehnologia MRAM a Everspin https://frontgrade.com/news/frontgrade-products-enable-esas-juice-mission.
Figura 2: Optimizarea interfeței și a densității pentru aplicații. (© Everspin Technologies)
Versatilitatea MRAM permite o gamă largă de produse
Non-volatilitatea și adresabilitatea la nivel de octet a memoriilor MRAM, combinate cu durabilitatea ridicată a scrierii, oferă posibilitatea de a proiecta și eficientiza un portofoliu de produse, fiecare optimizat pentru un anumit caz de utilizare. Everspin oferă totul, de la memoria SPI serială de 128 Kb de joasă densitate până la memoria persistentă de înaltă densitate de 1 Gb bazată pe DDR4. Cea mai recentă completare este familia de produse EMxxLX, optimizată pentru utilizarea în aplicații industriale, care oferă o lățime de bandă de citire și scriere de 400Mbytes/secundă pe interfața octală JEDEC xSPI.
Într-adevăr, viitorul este strălucit pentru tehnologia MRAM, pe măsură ce aceasta trece de la o tehnologie emergentă la un succes comercial pe scară largă. Scalabilitatea MRAM la noduri de procesare mai avansate va duce la produse de memorie de înaltă densitate, mai rentabile și mai durabile, ceea ce va extinde aria de acoperire a MRAM în mai multe aplicații.