ＭＲＡＭ：內存的新潮流（下）

Freescale所提供的MRAM替代性方案

在Freescale的器件中，自由的和固定的磁體層并不是單純的鐵磁板。相反，它們是合成的反鐵磁體(synthetic antiferromagnet，SAF)三明治結構，由兩個反向對準的鐵磁材料層以及兩層材料之間所夾的一層非磁性材料耦合隔層而組成。圖2示出了一個SAF位單元。SAF三明治結構產生磁致電阻效應的能力并不會因為它的混合式結構而受到影響。對準和反對準只取決于MTJ結構兩側相對的兩層材料。將兩層板材組成SAF，就可以讓每層板變成“磁矩平衡”一凈外磁場為零。這避免了磁場交疊而導致的可擴展性的問題。

SAF對于附近的導線上流過的電流所產生的磁場所作出的響應迥異于簡單的鐵磁板三明治結構。其磁軸，總是試圖與導線保持一定的角度回轉。這就使得以步進方式切換自由的SAF場(而不是以莽力顛倒其朝向)提供了可能。這種步進旋檔式切換不僅所需要的能量顯著低于交叉點開關式的，而且可以完全取消前述的“半選中”單元出現連帶寫入這一難以解決的問題。圖3示出了這種磁場切換控制技術。在這種方案中，“半選中”的單元僅旋轉45度，而遠遠不會切換到相反的對準方式的狀態上。正如所選中的單元在位線斷電時會猛然回到最接近的穩態軸向上一樣，“半選中”的單元在選中的線上所接通的電源被切斷后會自然而然地快速切換到它們初始的朝向上。此外，由單根線所產生的力起到了提高“半選中”單元的開關勢壘的作用，而不是削弱這種勢壘，因為一個所施加的力可以防止SAF單元在選擇序列中作絲毫進一步的旋轉。

圖3示出了T2到T3時鐘周期所出現的效應。WL上的電流防止軸線作出絲毫的進一步的旋轉(在通過周期T2中的“硬軸”線之后)，必須在此后得以降低(在T3周期)以便讓旋檔的運動繼續下去。事實上，只要線通以電流，單元的軸向就會停滯在某一角度上而不會出現移動。增大這根線的電流，而不是設法讓該單元失穩，只是使得它的軸向更為穩定地固定在指定的位置上。

旋檔式切換的另一個顯著的特征是，將一個1或0寫入某個單元，對其行為特性并不會產生任何影響。無論單元采用兩個對準方向中的哪一個，施加一串相同的寫入脈沖序列將使之旋轉180度到另一個對準方向。這一特性的優點在于消除了采用雙向位線的必要性。不利之處就在于在對每一位存儲進行寫入前必須進行讀出操作，以確定它目前的對準方向。如果需要切換方向的話，這一復雜性就會使寫入周期變慢，但它避免了將旋檔動作一分為二的必要。在一個交叉點陣列中，同樣也沒有必要用相同的量值來覆蓋一個O或者1數據，但是，因為覆蓋一個交叉點單元不會帶來損害，因此在寫入新的值之前無需確定單元內現有的值。相比之下，對處于0或者1狀態的單元進行旋檔式操作始終會寫入相反的值。于是，旋檔操作不能盲目進行一一如果單元所儲存的值與要寫入的值一致，則根本就不會進行寫入操作。

Freescate在MRAM方面的其他創新

旋檔切換(由Motorola的Leonid Savtchenko發明)只是在Freescale的設計中，多項引人注意的創新中的一項而已。圖4示出了Freescale單元的更為詳細的原理圖。請注意，銅質的字和位線包裹在一層鐵磁材料中。構造雖然因此變得更為復雜，但這樣的結構可以將寫入脈沖所產生的磁場集中，減少讓單元重新對準方向所需的電流大小。因為這種設計通過單個控制(或者“隔離”)晶體管將每個MRAM單元連接起來，而這些晶體管引導讀取電流流過單元，故Freescale將它稱為一個1T1MTJ位單元設計。

MRAM位單元的一個有趣的和極為重要的特性是它們完全可以制作在芯片的金屬互連層中，在后端處理工藝中添加到芯片上去。圖5就示出了Freescale的芯片的橫截面，從中可以看出，位單元位于Metal 4(用作字或者數字線)和Metal 5(用作位線)這兩層金屬之間。

MRAM也可以采用多種其他的單元和芯片設計。Cypress Semiconductor于2005年1月提供樣品的一種MRAM芯片，就將每個MTJ用兩個晶體管耦合起來，其中一個用于控制對單元的讀取，另一個用于控制對其的寫入。這種設計也是通過消除了所有“半選中的”單元來避免了對交叉點的連帶寫入。Cypress的雙晶體管設計的不足是單元尺寸更大，存儲容量受到限制。

MR2A16As其他存儲芯片的比較

Freescale的MR2A16A與所有其他的MRAM競爭者相比，最顯著的差異就在于這款產品已經投入了批量化生產。任何人出價25美元就可以買下它。

這種器件采用了3．3V的電源電壓，容量為4Mb(256K×16bit)，讀出和寫入周期時間均為35ns。Freescale是在其位于美國Arizona州的Chandler芯片加工廠制造出這些芯片的，基于200mm圓片上的90nm工藝。當然，在Freescale的90nm MRAM實現90nm制造前，競爭對手們可能已經實現了65nm的工藝(或者超過了這一水平)。如今已經實現了的是180nm的4Mb MR2A16A。

這種存儲器顯然是非易失性的，其寫入的耐用性要比閃存高(無限多次)。它并不需要象DRAM那樣進行刷新，因此可以節省功耗，而且它毫無疑問是可靠的，而且可以免受輻射引入的軟件錯誤。但是，上述這些品質卻伴隨著一定的缺點。

它的讀／寫延遲為35ns，比當前的SRAM差一個數量級，甚至都沒有接近DRAM或者閃存較慢的速度一一即使以現在看來很古老的180nm，這些器件也能實現約13ns的延遲。它的寫入速度也接近DRAM，雖然并非如此糟糕，因為DRAM的寫入速度比讀取速度慢約50％。MRAM的亮點是它的延遲優于慢得出奇的閃存器(即使采用90nm工藝制作的器件也需要2ms)。

任何存儲技術的關鍵還是密度。有些應用可以使用較慢的內存，可以容忍漏電較大、功耗較大的晶體管和電容以及軟件錯誤概率的上升。但是應用始終希望能有更大的內存。因此能以更低的成本提供更多位數的存儲技術可以取得成功。看看自旋轉的金屬硬盤驅動器和磁帶備份機頑強的生命力就知道這是成立的，雖然速度有限，但這兩種技術的壽命隨著商用計算歷史延續而延續。

MR2A16A的技術還沒有開啟黃金時代

鑒于上述的所有原因，當前的Freescale的MRAM器件幾乎更屬于一種證明自旋電子技術可投入批量生產的驗證器件，而不會成為一個大規模取代現有內存的有力競爭者。它顯然不會取代多種DRAM或者閃存芯片，這些器件一般速度更快而且容量更大。就每位存儲容量的成本來說，現有技術的成本效率要遠遠占優。

Freescale將MR2A16A作為靠電池保持的SRAM單元的一種“可靠的、經濟的、單體化”的替代方案來推廣。為了達到如此有限的目的，Freescale MRAM的非易失性簡化了設計，它的密度更有競爭力，其速度上的劣勢不那么明顯，它免于軟件錯誤的特點則是一個優勢。為MRAM搖旗吶喊的人們有更大的野心，但是Freescale相對而言有限的野心很可能會取得一定程度的成功。表1對MR2A16A與其他投入大批量生產的備選方案進行了比較。

MR2A16只是開始

在即將到來的內存大戰中，可以完全肯定的一件事就是Freescale不會孤獨地推廣MRAM。那些積極追求MRAM技術的公司列表，仿佛就是半導體業的一份“名人堂”一般。Freescale的器件是一項重要的進步，因為它包含了大量的創新，這些創新使得MRAM得以首次實現商用化。但這顯然只是一場大戲的開場而已，這就是體積大幅度縮小而且快得難以置信的量子計算機的登場。

MRAM技術近期有望獲得多項革新，一種是自旋矩傳遞，它可以向一個MRAM單元施加一個電子自旋力(以極化電子流的形式)。這一創新以及其他發明必然克服當前的Freescale的產品的主要缺陷，帶來易失性與閃存相同，而開關速度與SRAM相似，且密度和成本經濟性達到DRAM的產品一另外自然還有具有無限次讀／寫壽命、極低功耗、抗輻射的可靠性，可嵌入性僅次于SRAM等優勢。如果MRAM實現了這一遠景中的任何一個主要的目標，它都將很快開始取代細分市場中的其他芯片以及批量市場上的其他技術芯片。(繆民譯自《Microprocessor Report》)

圖3 MRAM的旋檔式切換操作，采用這種技術后，MRAM單元最終會對準一個“優先軸”，該軸向與相互垂直的引線成45度角。為了標注清楚，圖上借助傳統地圖的方法將字線、位線標注出了東、南、西、北等基準方向。在TO～T4的各個時鐘周期上，隨著字線WL和位線上的信號的變化，磁場的方向(即磁場N極)以45度為步進發生旋轉。在T1周期中施加到WL上的電流使得磁場軸向旋轉約45度。在時鐘T2周期中，施加到BL的電流將磁軸再旋轉45度，指向西北。注意，為了讓磁場軸線轉過最大電阻所對應的90度“硬軸”，兩條導線必須同時導通。在T3周期中，WL上的電流下降：既然現在磁軸已經旋過了“硬軸”方向，反力的撤除使得BL所施加的力能將磁軸再旋轉45度，而指向接近于正北的方向。在T4中BL的電流消失，由于沒有任何轉矩存在，磁軸恢復到其傾向的方向一現在指向東北方向，此時磁軸的N、S極指向發生了顛倒