自旋转移力矩MRAM如何简化嵌入式系统

在计算系统中，大数据的兴起提高了对非易失性、节能数据存储的需求。

最广泛使用的存储器元件是闪存随机存取存储器（RAM）、动态RAM（DRAM）和静态RAM（SRAM）。然而，另一种称为磁阻RAM（MRAM）的存储器技术近年来获得了赞誉。MRAM利用电子自旋来存储信息，据说它结合了高容量、高速度和高功率效率。

当前的计算系统需要用于工作负载的大型高速缓存。这些计算机还需要非易失性内存，以防止电源故障时内存丢失。为了满足这两个要求，DRAM、SRAM和闪存专家Memphis Electronic最近推出了一种新的自旋转移力矩（STT）MRAM，以避免嵌入式系统在电源故障时内存丢失。

 

MRAM可以简化嵌入式设计。图片（修改）由孟菲斯电子提供

 

STT是MRAM存储器技术的一个子集，即使在IBM和三星等行业巨头中也越来越突出。与更成熟的非易失性存储器技术相比，这种存储器体系结构究竟是如何发挥作用的？

 

MRAM：概述

MRAM还有其他几个优点，包括抗辐射、在极端温度下工作和抗篡改的能力。这些特性使其适用于各种工业和汽车应用。

MRAM的一般结构由两个被绝缘层隔开的铁磁性板组成。其中一个板是固定在特定极性上的永磁体，而另一个板的极性通过外部场改变以存储位。

 

MRAM单元的结构。图片由Cyferz提供[CC BY-SA 3.0]

 

这些位以单元的电阻的形式存储。当两个铁磁层的磁极性相同时，单元电阻比极性相反时低。高电阻或低电阻指的是二进制1或0，自由铁磁层的极性通过施加相对高的电流而改变。

第一批磁共振成像被称为拨动磁共振成像（T-MRAM），它利用磁场来改变电子自旋。T-MRAM更容易开发，但很难扩大规模。最新的MRAM使用自旋极化电流来切换电子的自旋。自旋转移力矩MRAM（STT-MRAM）和自旋轨道力矩MRAM）就是这样的装置。它们比T-MRAM更快、更高效、更容易扩展。

 

自旋极化、基于电流的磁共振成像

STT MRAM对固定层使用自旋极化电流，因此该层中的电子沿特定方向旋转。其中一些电子穿过介电层，改变自由层的磁极性，从而改变器件的电阻。

 

STT-MRAM示意图。图片由Blocks and Files提供

 

STT MRAM可以通过使用非常高的写入电流来提供高速。然而，这会影响细胞的寿命。SOT MRAM通过分离写入和读取电流路径来提高速度和耐久性，从而克服了这一挑战。这里，需要一个额外的层来设置自由层的极性。即便如此，这些MRAM也带来了成本和复杂性方面的挑战。

 

SOT-MRAM示意图。图片由Blocks and Files提供

 

 

STT-MRAM竞技场的玩家

一些公司目前正在开发STT MRAM，包括IBM、三星、Everspin、雪崩技术公司、Crocus和Spin Transfer技术公司。如前所述，孟菲斯电子还宣布计划在2022年嵌入式世界上展示其来自Netsol的新型STT MRAM。据说，这些MRAM节省了大量的板空间，并减少了无源元件的数量。

新的Netsol MRAM技术在CMOS制造工艺的基础上集成了一个额外的磁性隧道结（MTJ）层，将低延迟与高速读写操作和高耐久性相结合。它们是在三星铸造厂的帮助下在28nm技术工艺中引入的。

新型MRAM的目标应用包括智能仪表、胎压监测系统、无人机飞行数据采集、超声波和MRI扫描仪。