Современные технологии памяти, включая продукцию Kingston, эффективно выполняют поставленные перед ними задачи. Однако прогресс не стоит на месте, и вполне вероятно, что в ближайшем будущем DRAM будет считаться устаревшей технологией. Одним из перспективных кандидатов на её замену является магниторезистивная память MRAM. Важно отметить, что каждый тип памяти обладает своими недостатками. Например, NAND характеризуется низкой скоростью записи, SRAM не допускает плотной компоновки ячеек, что ограничивает плотность хранения данных. Мы знаем, что DRAM и SRAM являются энергозависимыми, то есть теряют информацию при отключении питания. В связи с этим исследователи постоянно ищут более совершенные технологии для решения разнообразных задач из этой области. В последнее время значительный интерес вызывает трехмерная vNAND, позволяющая существенно увеличить емкость накопителей, а также разработка Intel и Micron под названием 3D XPoint.
Последняя вообще обещает быть лучше существующей памяти практически во всем, но производители пока скрывают истинную технологию работы этой энергонезависимой памяти. PR-машина Intel создала немало шумихи вокруг новой технологии, затмившей не менее перспективные разработки, такие как MRAM или Magnetoresistive RAM.
Магнитный момент или электрический заряд?
Проблема создания быстрой и энергонезависимой памяти стоит перед компьютерной отраслью с момента появления первой вычислительной машины, и на данный момент она не решена. Посудите сами – мы используем в наших компьютерах оперативную память DRAM для скоростных задач, а накопители SSD (обычно на микросхемах NAND) для достижения высокой емкости хранения информации. Теоретически, исправить эту несправедливость и создать промежуточное решение способны магниторезистивные эффекты. Если наличие бита информации в ячейке памяти будет фиксироваться не электрическим, а магнитным полем, то при отключении напряжения этот самый бит никуда не денется и останется на микросхеме очень долго (пока вы не подойдете к блоку с огромным магнитом). Исследование этой возможности началось еще в первой половине ХХ века и более 50 лет оставалось в разряде теоретических изысканий, пока не были созданы первые прототипы MRAM. В нашей стране тоже проводились работы по созданию магниторезистивной памяти для применения в военной и аэрокосмической областях. Но только в 2006 году на рынке появился первый коммерческий магнитный чип. Его изготовила компания Freescale Semiconductor, которая отделилась от Motorola в 2004 году. И первым магниторезистивным «единорогом» стал модуль MR2A16A, способный вмещать 4 Мбит данных.
Технология работы MRAM
С технической точки зрения MRAM сильно отличается от других перспективных видов памяти – того же 3D XPoint или сегнетоэлектрической памяти (FRAM), так как в основе MRAM лежат магнитные элементы памяти, работающие по принципу магнитного туннельного перехода (MTJ – magnetic tunnel junction).
Чтобы понять суть этого эффекта, погрузимся немного в теорию полупроводников. Каждая ячейка MTJ состоит из управляющего транзистора, а также двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким слоем диэлектрика (туннельный слой). Первый слой представляет собой постоянный магнит, имеющий определенный и четко фиксированный вектор магнитного поля. А вот второй ферромагнитный слой – это уже переменный магнит, который меняет свою поляризацию (направление намагниченности), например, в зависимости от приложенного магнитного поля.
Определить значение бита в ферромагнитной ячейке можно, проверив совпадают ли векторы намагниченности двух слоев или они противоположны друг другу. Благодаря эффекту туннельного магнитосопротивления, при одинаковой поляризации ферромагнитных слоев электрическое сопротивление ячейки уменьшается, и такое положение вещей считается логическим нулем. В противоположном случае сопротивление ячейки определяют проводящие свойства диэлектрика в чистом виде – и ячейка сохраняет значение логической единицы. Управляющий транзистор в данном случае выполняет роль «тестера», который пропускает ток через ячейку, чтобы определить, какое значение бита в ней записано.
Эволюция и появление STT-MRAM
Известная проблема памяти MRAM заключается в записи значения в ферромагнитную ячейку. Изначально для этого нужно было приложить формирующее магнитное поле. Однако это весьма затратно с точки зрения расхода электроэнергии (что ставило крест на MRAM для мобильных устройств), а также ограничивает развитие технологии, ведь при переходе на меньший техпроцесс будет все сложнее создать точечное магнитное поле, которое не испортит данные в соседних ячейках.
Как ответ на эти вызовы была разработана улучшенная технология STT-MRAM (spin-torque-transfer MRAM). В самом принципе хранения информации ничего не поменялось, но вот метод записи стал в корне иным. В STT-MRAM происходит перенос спина электронов, попадающих в свободный слой.
В нормальных условиях электроны вращаются в разные стороны, но если специально направлять в свободный ферромагнитный слой предварительно ориентированные носители заряда, поляризация будет меняться в соответствии с тем направлением, которое имеет момент импульса поступающих электронов. Проще говоря, перезапись информации в ячейке происходит путем направления специально подготовленных электронов с одинаковым спином.
Изначально спин электронов для записи в памяти STT-MRAM формировался в той же плоскости, что и сами ферромагнитные слои. Однако перенос спина в перпендикулярную плоскость позволил уменьшить ток переключения ячейки, а также ее размер, увеличивая плотность размещения ячеек на кристалле. И теперь STT-MRAM действительно начинает походить на память будущего, которая сможет объединить в себе лучшее из двух миров.
В поисках своей ниши
Прежде чем мы сможем говорить о замене SRAM или DRAM, технология STT-MRAM должна изрядно повзрослеть, преодолеть «детские болезни», которые обязательно появятся, и доказать свою надежность. Но учитывая, что коммерческие образцы новой магнитной памяти уже существуют, для нее могут найтись специфические ниши.
Например, в SSD-накопителях и RAID-системах пока часто используются микросхемы DRAM, которые хранят кэшируемые операции. Но при отключении питания все данные с DRAM стираются. Это может стать проблемой, если важная информация еще не успела сохраниться на диске и поэтому в SSD устанавливаются конденсаторы, а в RAID-системы – дополнительные батареи. Они должны помочь записать всю информацию до полного отключения питания. Эти элементы деградируют со временем, конденсаторы и аккумуляторы увеличивают стоимость готовых продуктов и делают их более сложными. Тем временем STT-MRAM, как энергонезависимая память, может решить этот вопрос, и сейчас производители таких чипов активно продвигают подобный метод их использования.
Мы в Kingston тщательно следим за развитием всего спектра новых технологий памяти, но для коммерческих продуктов используем только зрелые решения, зарекомендовавшие себя и показавшие высокие уровни надежности. Учитывая сегодняшнюю ситуацию, не исключено, что через несколько лет STT-MRAM или еще более совершенная модификация этой памяти окажется быстрее и надежнее существующих сегодня решений, но пока эти технологии находятся в стадии первых экспериментов и не готовы работать в качестве тех самых универсальных накопителей, можно выбрать лучшие из существующих решений, к которым, несомненно, относятся и наши модули оперативной памяти.
