新型自旋转移矩磁性随机存储器:写入速度达14纳秒!

在制造出的芯片中,研究人员们测量了子阵列的写入速度。结果,在1.2V的低电源电压下,高速操作的速度可达14纳秒。迄今为止,这是世界上存储密度超过100Mb的STT-MRAM的最快写入速度。

人类正处于一个“信息大爆炸”的时代。我们平时使用的计算机与电子产品都需要处理大量的信息,那么这些信息(程序与数据)会放在哪里呢?

答案是:存储器(Memory)。存储器是每一个计算机系统、存储方案与移动设备都在使用的关键部件之一。

目前,主流的存储器以随机存取存储器(RAM)与闪存(Flash)为代表。RAM的读写速度快,但无法长时间储存数据,断电时将丢失其存储的数据,具有“易失性”;Flash能保存数据,在断电条件下也能长久保持数据,具有“非易失性”,但读写速度却不佳。

近些年,新兴的移动计算、云计算、大型数据中心等,对存储技术都提出了越来越高的要求,例如容量高、速度快、功耗低。

因此,科学家们希望将RAM的速度与Flash的非易失性结合起来,探索研发新一代存储器,例如磁性随机存储器(MRAM)、阻变式随机存器(RRAM)。

作为MRAM的二代产品,自旋转移矩-磁性随机存储器(STT-MRAM)近来备受关注。

在STT-MRAM中,电子的自旋会通过自旋极化电流快速翻转。这种效应是在“磁隧道结(MTJ)”或者“自旋阀”中实现的,STT-MRAM采用STT隧道结(STT-MTJ)。电流流过磁性层时将被极化,形成自旋极化电流。自旋电子将自旋动量传递给自由层的磁矩,使自旋磁性层的磁矩获得自旋动量后改变方向,这个过程称为自旋传输矩。因此,STT-MRAM是通过自旋电流实现信息写入的。

STT-MRAM中的数据以磁状态存储,具有天然的抗辐照、高可靠性以及几乎无限的读写次数。与DRAM不同,STT-MRAM不需要功率刷新,而且读出过程也不会破坏所存储的数据,从而在系统级实现了低功耗与低延迟。与现有的NAND Flash相比,写入速度快上10万倍,而读取速度则快上接近10倍。而且,STT-MRAM运行时只需少量电力,不使用时完全不需要电力。

作为下一代存储技术,STT-MRAM芯片的尺寸显著缩小,读写速度却大大提升。因此,它特别适合用于移动设备中的嵌入式存储器。特别是,如今物联网与人工智能技术迅猛发展,STT-MRAM有望发挥更大的作用。

目前,GlobalFoundries、三星(Samsung)、台积电(TSMC)、联电(UMC)等大型半导体制造工厂都在积极推动STT-MRAM走向批量生产。

近日,日本东北大学教授Tetsuo Endoh领导的科研团队成功开发出存储密度达128Mb的STT-MRAM,写入速度达14纳秒,可作为嵌入式存储器使用,例如物联网和人工智能中所用的缓存。它是目前世界上存储密度高于100Mb的嵌入式存储器中写入速度最快的,并且将为大容量STT-MRAM的量产铺平道路。

STT-MRAM目前的容量范围是在8Mb~40Mb。但是为了让STT-MRAM变得更加实用,有必要增加其存储密度。创新集成电子系统中心(CIES)的团队展开了集中开发,用CMOS技术将磁性隧道结(MTJs)集成在STT-MRAM中,提升STT-MRAM的存储密度。这样也将显著降低以缓存与嵌入式闪存为代表的嵌入式存储器的功耗。

磁性隧道结可通过一系列工艺开发来进行小型化处理。为了减小更高密度的STT-MRAM所需的存储器尺寸,磁性隧道结可直接通过孔洞来成形加工,这些孔洞就是一些使半导体器件各层之间进行导电连接的小开口。通过采用尺寸缩小的存储单元,研究小组设计出了存储密度达128Mb的自旋转移矩-磁随机存储器,并制造出了芯片。

如下图所示:(a)存储密度达128Mb的STT-MRAM模型图像(b)写入速度与电源电压之间的Shmoo图,它展示了在每个速度与电压下,测量到的操作比特率的彩色等级。

在制造出的芯片中,研究人员们测量了子阵列的写入速度。结果,在1.2V的低电源电压下,高速操作的速度可达14纳秒。迄今为止,这是世界上存储密度超过100Mb的STT-MRAM的最快写入速度。

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