MRAM

La MRAM (RAM magnetorresistiva o magnètica) (en anglés: magnetoresistive random-access memory) és un tipo de memòria no volàtil que ha estat en desenroll des dels anys 90. El desenroll continuat de la tecnologia existent, principalment Flash i DRAM, han evitat la generalisació del seu us, encara que els seus defensors creuen que les seues ventages són tan evidents que abans o despuix es convertirà en la tecnologia dominant per a tots els tipos de memòries.

Descripció

A diferència de la RAM convencional les senyes no s'almagasenen com càrrega elèctrica o fluix de corrent, sino per mig d'elements d'almagasenament magnètic. Els elements estan formats per dos discs ferromagnéticos, cada u dels quals pot mantindre un camp magnètic, separats per una fina capa d'aïllant. Un dels dos discs se situa en un iman permanent en una polaridad donada; l'atre variarà per a adequar-se al d'un camp extern. Una malla d'estes celes forma un chip de memòria.

La llectura es realisa medint la resistència elèctrica de la cela. En general, una cela se selecciona en base en l'alimentació d'un transistor associat que conduïx la corrent des d'una llínea d'alimentació a través de la cela a terra. l'efecte túnel provoca canvis en la resistència de la cela segons l'orientació dels camps dels dos discs. Medint la corrent generada, pot calcular-se la resistència i a partir d'esta la polaridad del disc escribible. En general sol considerar-se '0' si la polaridad d'abdós discs és la mateixa (l'estat de menor resistència).

L'escritura pot realisar-se de vàries maneres. La més senzilla és que cada cela estiga situada entre dos llínees d'escritura que formen un àngul adequat entre sí per damunt i baix de la cela. En la corrent s'induïx un camp magnètic en l'unió, i este camp influïx en el disc escribible. Este patró d'operació és similar al de la memòria de núcleu de ferrita dels anys 60. És necessària una cantitat significativa de corrent per a generar el camp magnètic lo que llimita el seu us en dispositius en necessitats de baix consum. Ademés, conforme el tamany s'escala, els camps generats poden solapar vàries celes en les escritures falses resultants. Este problema sembla impondre un tamany de cela relativament gran. Encara que es va intentar solucionar en dominis circulares i la magnetorresistencia colossal, no sembla que esta solució s'estiga desenrollant últimament.

Un atre enfocament realisa una escritura en vàries fases per mig d'una cela multinivel. La cela conté ara un material antiferromagnético en el que l'orientació magnètica s'alterna en la superfície. Els nivells fixos i lliures estan formats ara per piles de varis nivells aïllades per un nivell d'acoplament. L'estructura resultant només té dos estats estables, que poden canviar-se (toggling) ajustant el retart relatiu en la senyal d'escritura propagada per cada una de les dos llínees, provocant una rotació del camp. Qualsevol voltage que no siga el complet aumenta la resistència de manera que les celes que compartixquen una de les llínees d'escritura no es veuen afectades. Açò permet celes més menudes.

Una tècnica més recent es basa en la transferència de torsió de spin (spin torque transfer o spin transfer switching). Utilisa electrons polarisats (en el seu moment de spin alineat) per a realisar la torsió sobre els dominis magnètics. En concret, si els electrons que fluïxen a una capa han de carregar la seua spin, es genera una força de torsió que es transferix a la capa pròxima. D'esta forma es reduïx la corrent necessària per a realisar l'escritura a aproximadament el mateix nivell de la llectura. Se sospita que la cela MRAM clàssica siga difícil de produir en gran densitat per la cantitat de corrent necessària per a l'escritura, alguna cosa que este método evita. El problema és que, pel moment, el transistor de control deu commutar més corrent i deu mantindre la coherència de spin. En tot cas, la corrent d'escritura és molt menor que en les atres variants.

Esquema simplificat d'una cela MRAM.

Comparació en atres sistemes

Densitat

El factor principal que decidix el cost d'un sistema és la densitat dels components que ho formen. Sistemes en menys components i més senzills (menuts) comporten densitat majors i una major producció de chips en cada oblea de silici, lo que a la seua volta millora la taxa de chips sense errors.

La memòria DRAM utilisa condensadores com a elements de memòria, junt en cables que transporten la corrent i un transistor de control (açò compon una cela 1T1C). Els condensadores són essencialment dos plaques metàliques separades per un material aïllant. DRAM és la RAM que en l'actualitat goja d'una major densitat i és, per tant, la més barata, per lo que constituïx la major part de la RAM que s'utilisa en els ordenadors.

La memòria MRAM és prou semblada en els seus aspectes físics encara que no sol necessitar d'un transistor per a l'operació d'escritura. No obstant, té el problema de l'interferència en escritura (half select) que llimita el tamany de les celes a 180 nm o més. Les variants que utilisen toggling poden escalar fins a prop de 90 nm, el mateix tamany que les memòries DRAM actuals. No obstant, per a que siga rendable que entre en producció, deuria ser capaç de baixar als 65 nm dels dispositius de memòria més alvançats, lo que segurament deurà passar a utilisar tècniques de torsió de spin (STT).

Consum energètic

Els condensadores que formen la DRAM perden la seua càrrega en el temps si esta no es restablix periòdicament (aproximadament 1000 voltes per segon, llegint i reescrivint els seus valors). Per això necessiten una alimentació contínua i les senyes es perden si el suministrament d'energia es talla. El cicle de refresc es reduïx en el tamany de les DRAMs, i s'incrementa el consum.

Pel contrari, les memòries MRAM no necessiten cap tipo de refresc, lo que les fa no volàtils i ademés les lliura del consum continu d'energia. El procés de llectura és comparablemente més costós, encara que en la pràctica la diferència sembla ser molt menuda. El procés d'escritura sí necessita més energia per a sobrepondre's al camp ya existent en la junta (entre 3-8 voltes l'energia necessària en llectura). La cantitat neta d'energia consumida dependrà de la naturalea dels accessos – més a més escritures –, encara que en general els defensors d'este enfocament preveuen consum molt menors (de fins al 1% del consum de la DRAM). Els dispositius basats en SST anulen la diferència entre llectura i escritura, accentuant encara més esta diferència.

És interessant comparar la MRAM en un atre dispositiu comú, la memòria Flash RAM. Esta és també no volàtil, lo que la convertix en un substitut comú dels discs durs en dispositius menuts com a reproductors de música i cambres digitals. En llectura els requeriments energètics d'abdós memòries són molt semblants. En escritura, en canvi, Flash es reescriu en polsos de voltage elevats (prop de 10 V) que utilisen acumuladors relativament llents i en alt consum. La degradació que produïxen llimita ademés el número de cicles d'escritura de les celes.

A diferència de Flash, MRAM necessita solament una miqueta més d'energia per a realisar l'escritura i cap canvi en el voltage, lo que du a un consum menor en operacions més ràpides i sense efecte sobre la vida del dispositiu.

Velocitat

La velocitat en memòries DRAM ve llimitada pel temps que costa drenar (en llectura) o almagasenar (en escritura) la corrent en les celes. En MRAM, es basa en la medició de voltages en lloc de corrents, per lo que el temps d'assentament (settling) és millor. S'ha demostrat que els dispositius MRAM tenen accessos en l'orde de 2 ns, alguna cosa millors que els de les DRAM més alvançades, que utilisen processos de fabricació molt més recents. La diferència en Flash és molt més acusada, en rendiments similars en llectura, pero mils de voltes millor en escritura.

L'única tecnologia que pot competir en MRAM en térmens de velocitat és la memòria SRAM, formada per conjunts de transistors que formen flip-flops per a almagasenar un de dos estats mentres se suministra potència. Els transistors tenen necessitats d'energia molt baixes, per lo que el canvi d'estat és molt ràpit. No obstant, una cela SRAM està formada per varis transistors, per lo que la seua densitat és molt menor que la de DRAM. Açò a la seua volta la fa més cara i el seu us està reservat a cantitats chicotetes de memòria d'alta velocitat, típicament la memòria caché en les CPUs actuals.

La memòria MRAM no és tan ràpida com la SRAM, pero sí s'acosta lo suficient com per a resultar competitiva inclús en estos usos per a oferir capacitats molt majors de caché, encara que alguna cosa més llenta. Es desconeixen actualment les conseqüències que este compromís podria tindre.

Visió general

MRAM oferix velocitats paregudes a les de SRAM en una densitat comparable a la de DRAM pero molt manco consume que esta (i major velocitat). Ademés, front a la memòria Flash, no presenta degradació en el temps. Esta combinació fa que alguns la proponguen com a “memòria universal”, capaç de reemplaçar a estes tres aixina com a la memòria EEPROM. També explica l'intensa activitat d'investigació que rodeja el seu desenroll.

No obstant, les tendències del mercat l'han mantingut llunt d'alcançar una utilisació generalisada. El mercat de memòria Flash eixercix una gran pressió per a que els fabricants desenrollen nous processos d'integració, conseguint chips d'1 Gibit en 65 nm i fins a 16 Gibit en el cas de Samsung en 50 nm. La sobreproducció de DRAM oferix una tornada de l'inversió molt menor, per lo que la major part de la memòria DDR2 es fabrica utilisant processos antics de 90 nm (una generació anterior a les actuals).

MRAM, per la seua banda, es troba encara en estat de desenroll en gran part i la seua producció es realisa en factories secundàries. L'únic producte disponible a gran escala és el chip de 4 Mibit de Freescale Semiconductor, que utilisa processos de vàries generacions d'antiguetat de 180 nm. La gran demanda de memòria Flash seguix dirigint l'oferta de manera que els fabricants no s'arrisquen a dedicar les seues fàbriques principals a la producció de MRAM. En tot cas, i inclús utilisant el mateix procés de fabricació, les celes MRAM seguixen estant molt per damunt dels tamanys conseguits en Flash.

Vore també

• Memòria RAM
• Memòria d'ordenador
• nvSRAM
• EEPROM
• FeRAM
• PRAM
• s-MOSFET
• NRAM
• Magnetorresistencia
• Ferromagnetisme
• Efecte túnel
• RAM electroquímica