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新型存儲介質MRAM解析

发表时间:2019-06-12 15:28

內存(Memory)和硬盤(Storage),作爲存儲介质,由于不同的特性,它们之间的界限还是很明显的。内存由于其访问速度快的特点,用以存放程序运行代码和数据;硬盘(HDD或者SSD)由于其非挥发性特点,用以长久存放用户文件数据。有没有一种这样的存儲介质,既具有内存速度快的特点,还具有硬盘非挥发性的特点?

有!今天要介紹的MRAM就是这样一种新型存儲介质。

什麽是MRAM

何为MRAM? 百度百科是这样说的:

“MRAM(Magnetic Random Access Memory) 是一种非易失性(Non-Volatile)的磁性随机存儲器,它拥有静态随机存儲器(SRAM)的高速读取写入能力,以及动态随机存儲器(DRAM)的高集成度,而且基本上可以無限次地重複寫入。”

劃重點:

MRAM是非揮發性介質;

MRAM是磁性随机存儲介质;

MRAM具有RAM的讀寫速度;

MRAM可接近無限次寫入。

MRAM有哪些特性

首先看看MRAM有多快。

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從上圖可以看出,MRAM(Spin Torque MRAM)的读写速度跟DRAM差不多。3D-Xpoint、PCM等新型存儲介质,在写速度方面跟MRAM相差二三个数量级。所有新型存儲介质中,MRAM是唯一一个真正做到和DRAM一个级别访问速度的介质。

從上圖我們還可以看到,MRAM非常耐寫,1後面跟了很多很多0,可以認爲是長生不老。

除此之外,MRAM還具有很好的數據保持性和寬的工作溫度範圍。

總結一下MRAM的特點:

基于闪存的SSD,由于每个block寿命有限,因此SSD固件需要做磨损均衡(wear leveling)算法。MRAM由于长生不老的特点,固件就无需实现wear leveling了。

閃存不能覆蓋寫(寫之前需擦除block),因此SSD固件需要做垃圾回收。MRAM可以原地更新,因此不存在垃圾回收之說。

MRAM数据存儲原理

我们知道(不知道的参看《闪存基础》)闪存数据存儲在浮栅晶體管,通过往浮栅极注入电子的多少来表示逻辑“0”和“1”。

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那么,MRAM存儲原理是什么呢?

MRAM的存儲单元是MTJ(“茅台酒”,Magnetic Tunnel Junction,磁性隧道结)+ 一个晶體管

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MTJ由三層組成:

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最下面是自旋方向固定的一層(可以認爲磁性方向固定),中間是隧穿層,最上面自由層的自旋方向可以發生變化,向左或者向右。當最上層自旋方向與最下層自旋方向一致時,MTJ具有低電阻;当最上层自旋方向与最下层自旋方向相反时,MTJ具有高電阻。因此,MRAM通过判断MTJ是低電阻还是高電阻,来感知“1”(低阻态)或者“0”(高阻态)。

寫入數據的過程如下圖,相互垂直的一系列電流相当于经纬线,通过严格控制電流,可以精准地在二者相交的地方产生合适的磁场,从而改变最上面一层自旋方向。

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当最上层的(Free Layer)一旦自旋方向确定后,它不会因为掉电而发生自旋方向改变,因此,MRAM是非挥发性存儲介质。

上面描述的其实是第一代MRAM,即Toggle MRAM。

Toggle MRAM可以有效抵抗高辐射以及高温环境,因此可以用于军事及航天领域。

但Toggle MRAM的缺点是:

功耗相對高;

集成度做不上去(尺寸越小,寫幹擾大)。

第二代MRAM叫做STT-MRAM, Spin-Transfer Torque MRAM, 其存儲单元也是MTJ+一个晶體管。不过,MTJ的自旋方向是上下,而不是左右;另外,它写入方式与Toggle MRAM不同,STT-MRAM使用自旋极化的電流来控制最上层的自旋方向。

6.jpg


与Toggle MRAM相比,STT-MRAM具有以下特点:

速度更快;

更加節能;

集成度更高。

MRAM應用場景

MRAM兼有DRAM的訪問速度和硬盤的非揮發性,它把內存和硬盤合二爲一。

因此,它可以應用在任何需要快速訪問(低延遲和高性能)但又希望掉電後數據不丟失的場合。

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