MRAM正向多个方向发展

磁阻存储器(MRAM)是面向广泛商业应用的几种新型非易失性存储器技术之一，但将MRAM设计到芯片和系统中并不像添加其他类型的存储器那么简单。

MRAM不是一种万能的技术。它需要根据预期的目的进行调整。以闪存为目标的mram将不如以sram为目标，反之亦然。然而，mram正开始获得巨大的吸引力。MRAM设备已经上市，未来还会有更多的实现。

该公司高级首席工程师Cyrille Dray表示:“MRAM设备物理特性可以通过在保留时间和速度之间进行权衡，从而实现针对特定应用的调整手臂．“这导致了类似闪光和类似slam的形式。”

关键磁隧道结(MTJ)及其周围电路的设计都会对器件的特性产生影响。设计人员可以平衡读写速度、数据保留和持久性的需求。如何做出这些选择将决定他们在目标市场的成功。

MRAM基础——两种口味
MRAM使用磁偏振来存储比特。位元的状态取决于两个磁层之间的关系。两个磁性层中的一个——所谓的“固定”或“参考”层——具有固定的极化。另一个是“自由”层，它的偏振在写入时发生变化。当它们在同一方向(平行)磁化时，就会形成一种状态。另一种状态是它们以相反的方向磁化(反平行)。

磁层由一层薄的隧道氧化物隔开，通常由MgO制成。当极化平行时，电阻较低。因此，读取细胞的状态意味着测量电阻。“MR(磁电阻)是bit在0和1状态之间的电阻变化，”Daniel Worledge说，他是杰出的研究人员和高级经理IBM．

这个物质堆，远比我们所画的简单图像要复杂得多，形成了MTJ。物理和材料科学决定了MTJ的性能。

图1:一个理想化的MTJ。左边为低电阻状态，固定层和自由层磁化平行。在右侧，这些层具有反平行磁化，这导致了更高的电阻(和更低的电流)。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

写入电池是使用更高的电流完成的，但有两种方式。今天发展得最好的版本被称为“自旋转矩传递”，或STT MRAM．(有一种更古老的独立技术叫做“切换MRAM”，这里不做介绍。)编程电流通过MTJ的方向与读取电流相同。一种仍处于早期开发阶段的更新版本是“自旋轨道转移”(SOT MRAM)。在这种情况下，电流“穿过”MTJ而不是穿过它。

图2:STT MRAM(左)使用通过MTJ的电流来写入状态。SOT MRAM(右)使用与堆栈中各层并行的电流来写入状态。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

四个MRAM目标应用程序
MRAM可以针对四个不同的应用领域，其中最困难的还没有实现。最容易实现的是独立内存，它已经存在一段时间了。它在替换电池支持的SRAM和DRAM以及用于缓冲硬盘驱动器方面具有利基应用。

图3:四种不同的MRAM应用及其需求。请注意，“移动缓存”应用程序适用于小型物联网设备，而不是智能手机。来源:IBM

接下来是嵌入式MRAM，用于systems-on-chip(soc)。它取代了嵌入式NOR闪存，主要用于代码存储。(“MRAM永远不会取代NAND闪存，”沃莱奇指出。)挑战在于经济一体化互补金属氧化物半导体．

接下来的两个应用程序都是针对静态存储器，但方式不同。第一个反映了SRAM和闪存可能统一成一个MRAM块，用于小型便携式设备，可以使用电池，这是典型的设备物联网(物联网)。这样做的好处是低功耗，以及更简单的单内存系统。它们往往运行得更慢，因此访问时间不那么重要，但省电要重要得多。即便如此，10ns的电池读取时间是可能的。

最后一个尚未实现的应用是用大量廉价的、非易失性的MRAM取代最后一级缓存的能力。好处是更低的功率，以及，但性能要求非常高。假设它可以实现，可能还需要几年的时间。

一些团队已经为此研究了多年。IBM认为这是它的圣杯。“这是我们IBM的长期愿景，也是我们在MRAM领域工作了25年的原因，”Worledge说。“但这真的很困难，我们还没到那一步。”

这些应用程序建立了MRAM针对它们必须做出的权衡。单个MRAM在所有这些情况下都不会成功。了解这些权衡背后的原因将有助于工程师在设计和使用MRAM时做出正确的选择。

四个关键特征
MRAM共享与任何相同的基本参数非易失性内存(NVM)将主要关注写速度、读速度、数据保留和持久性。前两个分别是写入或读取bit所花费的时间。数据保留是指编程位可以可靠读取的时间，对于闪存来说通常是10年或更长时间。持续时间是指位在指定的保留期内不再能够保持其状态之前可以重写的次数。

这四个参数是由MTJ及其周围电路的设计决定的。MTJ有两个关键特征:

• 开关需要多少电流?
• 在存在热波动的情况下，它的稳定性如何?

这两者都反映了两种状态之间的能量势垒。能量势垒越高，就越能抵抗意外的位翻转。但这也意味着有意翻转比特需要更多的能量，需要更高的写入电流。

这两个特征之间的矛盾促使优化选择。我们可以让电池更容易编程——更小的写入电流意味着更低的功率——但这不能以读取时的稳定性为代价。特别是，温度会导致比特失去状态，这取决于细胞是如何被改造的。

MTJ设计是一个材料游戏。有了完美的材料，你可以优化所有四个参数。“如果你能不断改进材料，原则上，你最终可以得到一切，”Worledge说。今天没有这样的材料。这让设计师不得不权衡利弊。

写入速度
编写MRAM是一个复杂的过程。STT MRAM的基本思想是电子自旋扭矩可以传递到自由层，建立磁方向。然而，作为一个过程，它需要一个(或几个)电子才能开始。

启动实际上是随机的，所以每次编程过程展开的方式都会不同。非易失性存储器技术解决方案的杰出技术人员Steven Soss解释说:“你需要一些热波动来给它一点偏差，然后你的扭矩就可以开始接管，它开始进动MRAM元件。GlobalFoundries．“当它开始进动时，你可以获得更大的扭矩，最终你可以切换它。总的启动速率就是你更换设备所花费的时间。”

这一过程的准确时间是不可预测的。给定一个数组，一些比特可能比其他比特编程快。重复这一过程将得到一组完全不同的、编程速度更快的比特。它不一定是比特本身的函数;更重要的是哪个随机的开始更快。

通过降低热能屏障，可以实现更快的书写。索斯补充说:“你可以做一些物质上的事情来降低它的热稳定性，这样它就会自己波动更多。”“你也可以玩材料的磁阻尼。”

更复杂的是，从并行(P)写到反并行(AP)比相反更难。索斯说:“要进行p到ap的转换，实际上是反向散射的电子造成了扭矩传递。”“可用电子的相对比例较低。”

一般来说，写电流越高，进程完成得越快。超过某个临界阈值，它就是线性的。“这是角动量守恒的论点，”沃莱奇说。“如果你倾倒的旋转数翻倍，你的时间就会减半。”

但是更高的电流会加速MTJ的磨损-特别是对于STT MRAM，其中写入电流通过MTJ。SOT MRAM技术的主要好处是写入电流不经过MTJ -它平行于层。这意味着电流可以被设置为任意高(在合理范围内)而不用担心磨损。因此，SOT MRAM单元的写入时间要比STT单元快得多。

写入电流也会影响电池的大小，从而影响成本。每个单元都有一个选择器晶体管，写入电流必须通过它。更高的电流需要更大的晶体管，从而增加电池的尺寸。“细胞实际上不受MTJ本身大小的限制，”Worledge说。“编写MTJ所需的电流确实有限。写入电流受到电池中晶体管大小的限制。”

新提议垂直选择晶体管Spin Memory公司可能会解决这个问题，把MTJ放在选择晶体管的顶部，而不是旁边，使电池更接近DRAM的大小。

图4:可以减小MRAM位单元尺寸的垂直选择器晶体管。来源:Spin Memory

虽然最后一个缓存替换MRAM还需要几年时间，但IBM与三星合作，已经实现了2ns的写入时间和高续航能力。他们还制作了一个演示阵列，这是14nm工艺上的第一个演示阵列，放置在金属1和金属2之间，以实现更紧密的集成。

读取速度
读取位所花费的时间与写入速度的控制因素完全不同。主要的影响是磁电阻(单个电池的极化分布有多紧密)和内存窗口(整个阵列中0和1状态的分布之间的距离有多远)。分布越紧凑，窗口越宽，就越容易阅读。

最终，读取速度是由感应放大器集成它检测到的电流所花费的时间决定的。低电流需要更长的时间，特别是如果有噪声和变化。电流越大，读取速度越快。索斯说:“你的TMR越大，你的内存窗口越大，那么你感觉到的集成就越少。”

然而，如果读电流太高，那么它就开始像写电流一样工作，并可能改变(或“扰乱”)位状态的值。所以用于读取的电流是有限的。即使是SOT MRAM，它并不是设计用于通过mtj电流写入的，如果它获得太多的读电流，那么它将表现得像写入电流。

这使得阅读速度难以提高。而且，虽然SOT MRAM比STT MRAM有写入速度优势，但它不会有相应的读取速度优势。

使用两个以相反状态编程的mtj的差分单元可以提高读取速度，但这是有代价的。Spin Memory业务发展高级副总裁Jeff Lewis解释说:“差分感测放大器应该比单端感测放大器更简单，因为它的感觉边际是单端感测放大器的两倍，而且‘细胞’基本上可以自我引用。”“因此，单端细胞引用中的变化不需要处理。因此，你可以读得更快。但2倍大的写入能力和2倍大的比特单元面积是主要缺点。”

耐力
每次写入一个STT MTJ，它都会导致MgO隧道层的磨损，这是非常薄的。这并不是一个新现象;闪存也有同样的问题。最主要的效应被称为随时间变化的介电击穿，简称TDDB。隧道氧化物暴露在电场中的时间越长，它分解的风险就越大。

索斯说:“TDDB是一种电压依赖现象。“它被很好地建模，每个人都知道他们的电介质中的这种性质。你越能降低施加在MgO上的电压，它的寿命就越长。”

因此，一般来说，使用较低的电压可以更长时间地保存材料。这不利于使用强写入电流(由更高的电压刺激)。通过这种方式，对于给定的MTJ，更快的读写时间导致较低的持久性。

为了减轻写对持久性的影响，一种建议是使用脉冲进程。整个数组被脉冲击中，这将对一些位进行编程，但可能不会对其他位进行编程。哪些位被编程是随机的。

“你在里面写了一些东西，然后你读了写的内容，以确保它真的被写出来了，”Rahul Thukral说，他是at公司嵌入式内存IP的产品营销经理Synopsys对此．“你只重写那些没写出来的东西。”

如果能够确定写入失败的细胞，那么它们(而且只有它们)就可以用另一个脉冲再次命中。可以重复这个过程，直到所有细胞都被编程。这个想法是，平均而言，细胞会受到更少的脉冲，有助于保持耐力。

这种方法有一些显著的复杂性。一个人必须能够检测到哪些位没有编程-并且做得足够快，这样你就不会失去更高电流的优势，更快的写入。在一个数组中，确定哪些位可以写入，哪些位不可以写入是比较复杂的，因为在写入操作之前，不需要像flash那样进行批量擦除。

闪存更换较少受到持久性概念的影响。代码存储不需要经常编写，因此持久性不是一个问题。闪存有它自己的续航时间限制，所以切换到MRAM并不会改变这一点。

但在更换SRAM时，续航能力尤为重要。SRAM没有已知的持续时间限制，因此该应用程序中的MRAM将引入这样的限制。挑战是要让耐力足够高，让它变得无关紧要——并说服设计师这无关紧要。

数据保留
留存率是关于无意干扰的难度。巴里·赫伯曼说:“留存率主要取决于能量障碍，应用材料的安塔奥斯的指定董事。“在一个设计良好的隧道结点中，0和1具有相同的能级，但从一个状态到另一个状态存在能量势垒。”

mtj可以设计为年或分钟或秒的数据保留。较难的写作可以提高留存率，但可能会损害持久性。

这就是温度稳定性特别重要的地方。索斯说:“如果你想要高热健壮性，那么你就需要一个高磁体积，一个非常强的磁场和强的各向异性场。”“你基本上是在说，‘我想让这个东西与它的参考磁铁非常强地耦合。’”

早期MRAM电池的挑战之一是它们在焊料回流事件中存活的能力。其中包括260°C的温度长达90秒(具体情况可能有所不同)。这种热量可能会扰乱电路板上预先编程的mram的内容，这意味着它们必须在编程之前焊接到电路板上。

Soss说:“主要的应用要求之一是焊接回流安全。“这要求你非常(有磁性)僵硬。”

如今，针对这种情况设计的设备通常规定它们可以处理五个这样的回流循环:一个原始循环加上两个移除和修复循环(每个循环都涉及移除设备的加热和替换设备的加热)。这意味着它们可以在焊接之前预先编程。

对于取代NOR闪存进行代码存储的应用程序，持久性不那么重要。而且因为写入flash非常慢，所以可以对写入速度放宽要求。这可以加强保留，以获得更高的温度稳定性。这些mram通常有10年的保留期。

与针对SRAM的应用程序相比，针对flash的应用程序的留存率也不是什么大问题。设计人员倾向于认为SRAM具有无限的数据保留能力——只要电源接通。如果SRAM被MRAM所取代，而MRAM的数据保留时间长但有限，这是否会给系统设计人员带来一些担忧?

对于SRAM数据需要存活多久，有各种各样的估计。这部分取决于SRAM的作用。如果它只是缓冲数据到其他存储，那么它不会持续很长时间。然而，如果它是工作记忆，那么它需要多长时间就不太清楚了。估计从几秒钟到几天就足够了。目前正在开发的用于SRAM替代的mram具有几个月的保留期。

也就是说，事实证明，MRAM的保留时间正变得与sram所经历的软错误率相当——这与sram具有无限保留的概念相矛盾。对于需要考虑这一点的应用程序，ECC可能会有所帮助。但是，它不是简单地纠正读取数据，它还可能触发擦除或刷新来纠正任何错误的位，这样错误就不会累积。

这种刷新可能比DRAM刷新简单得多，频率也低得多——可能每秒一次。这些额外的写入将抵消它们可能导致的持久时间的降低。

闪存还是SRAM?
这四个参数设置了MTJ设计人员和内存设计人员必须进行的权衡。这些设计师必须决定是要创建一个坚固的、难以干扰(和写入)的单元，还是一个反应更灵敏、可能也更精致的单元。

然而，为了商业可行性，所有这些相互作用的因素都必须被抽象出来。虽然理解不同内存上不同规格背后的力量是有用的，但说到底，这些规格应该是不言自明的。

对于以闪存为目标的应用程序，一些公司甚至将MRAM伪装成闪存，包括批量擦除。“我们骗过他们。我们创建页面，这样它就像e-flash一样有实际界面。”“他们已经完成了旧设计中的RTL。他们不想改变这种界面。”

有很多方法可以解决这个问题。Soss说:“对于类似flash的操作，你可以把1和0写成两个独立的操作。”“这可以通过首先擦除整个宏来实现，然后写入将是单次操作，其中只翻转所需的位。这导致了更简单的宏观设计，从而节省了硅面积。但这确实意味着，如果你想对给定地址的位进行“切换”，你可能需要将其作为两步写操作来完成，屏蔽以仅切换所需的位。”

面向sram的MRAM需要字节(或字)可寻址。这可能会产生一个更大、更快的数组。但它的竞争对手是一个六晶体管SRAM电池，它放宽了尺寸要求。Spin Memory公司的产品副总裁安迪·沃克(Andy Walker)说:“SRAM单元太大了，你可以把很多东西藏在地毯下面。”

选择性写作可以节省能量。Thukral补充道:“你可以阅读其中的任何内容，将其与进入其中的数据进行比较，然后只修改那些需要更改的内容。”

抛开读写速度的物理因素不谈，类似slam的应用程序往往期望对称的访问时间。“写的速度比读的速度快，这对你真的没有好处，”刘易斯说。

Soss说:“对于工作内存SRAM实现来说，类似闪存的架构可能太慢了。”“你需要能够独立于字线上的其他位来控制每个位的位行和源行。这增加了架构的复杂性。”

正是由于这些原因，不同的MRAM技术将被提供给不同的应用。一个尺寸永远不可能适合所有人。虽然检查任何内存的关键规格总是很重要的，但对于MRAM，确保所选择的版本具有与应用程序需求一致的特性尤为重要。

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