Referaadi autor: Jarkko Ingi
Sissejuhatus
Tänapäeval on inimestel vaja talletada, kasutada ja töödelda väga suurel hulgal erinevat informatsiooni. Andmehulgad kasvavad iga päevaga ja nende talletamiseks on vaja järjest suurema mahuga, võimsamaid, kiiremaid ja kompaktsemaid mälusid. Selle tarbeks töötatakse pidevalt välja järjest uusi lahendusi ja mälu liike.
Selles referaadis räägitakse ühest neist mälu liikidest, milleks on magnetiline suvapöördusmälu ehk MRAM. Selgitatakse selle olemust, omadusi, ehitust, kasutusvaldkonda ja püütakse ka võrrelda seda teiste olemasolevate mälu tüüpidega. Samuti räägitakse lühidalt MRAMi ajaloost ja tähtsamatest hetkedest selle arenduses.
Üldiselt MRAM-i kohta
Freescale-i magnetiline suvapöördmälu (MRAM) on revolutsiooniline mälu tehnoloogia, mis võib asendada paljusid tänapäeva pooljuhtmälu tehnoloogiaid. MRAM ühendab SRAM-i kiiruse ja välkmälu püsivuse ühes kiibis. MRAM kasutab elektrilaengute asemel magnetlaenguid, et määrata mälu biti olekut. See võimaldab ühe mälu lahendusega asendada mitmed mälu lahendused ühes kiibis, võimaldades kiiremaid ja odavamaid lahendusi järgmise põlvkonna suure mälumahuga toodete jaoks.
MRAM on püsimälu tehnoloogia, mis kaitseb andmeid ka voolukatkestuse korral ja ei vaja perioodilisi uuendamisi. MRAM on ideaalne mälu selliste lahenduste jaoks, mis vajavad andmete alalist säilitamist ja milles on vaja tähtsat infot kiirelt kätte saada.
MRAM tehnoloogia
Kuna MRAM on ühendatud tavapärase metall-oksiid pooljuhi (CMOS) protsessiga, siis võivad ühekiibilised lahendused praeguste mitmekiibiliste mälude/protsessorite kasutusvaldkonnas kulusid oluliselt vähendada. Freescale Semiconductor-i MRAM mälurakud põhinevad ühel transistoril ja ühel magnet-tunnelvoolu ristmiku (MTJ) struktuuril. MTJ struktuur koosneb ühest kihist isoleermaterjalist, mis paikneb kahe magnetilisest materjalist elektroodi vahel. Üks elektrood on fikseeritud ferromagnetilise kihiga, mis loob tugeva „naelutava,” välja mis hoiab magnetilist polarisatsiooni kihis ühes kindlas suunas. Teine ferromagnetiline kiht on vaba pöörama ning hoidma polarisatsiooni ühes kahest võimalikust suunast. Kui „naelutatud” ja vabad kihid on sama polarisatsiooniga, siis on MTJ rakul madal takistus. Kui need on risti, siis on MTJ rakul suur takistus. Lugedes MRAM rakku, elektrivool kas voolab või tunnelleerub läbi isolaatori ühest magnetvälja kihist teise magnetilisse kihti, määrates nii takistuse oleku. MTJ-i integreerimine transistorites võimaldab väikest raku suurust ning on kulukuse poolest väga konkurentsivõimeline lahenduse. Kiire lugemise ja kirjutamise kiirus kombineeritud praktiliselt piiramatu lugemise ja kirjutamise tsüklite hulgaga võimaldab MRAM-il täita samasid nõudmisi, mida täidavad hetkel flash, DRAM ja SRAM mälud.
Kasutusvaldkond
Freescale-i MRAM seade (MR2A16A) on ideaalne asendaja akutoitega SRAM-ile (BBSRAM). MRAM on kiire püsimälu, mille vastupidavus on piiramatu – selliseid omadusi ei ole mitte ühelgi teisel pooljuhtmälu tootel.
MR2A16A on BBSRAM (70 ns) lugemise ja kirjutamise kiirusega võrreldes palju kiirem (35 ns). BBSRAM asendajana on see usaldusväärsem, sest põhineb vaid ühel kiibil võrreldes BBSRAM-i keeruka mitme komponentse süsteemiga (kaasa arvatud SRAM, aku ja kontrollkiip). MRAM sobib otse BBSRAM-i asemele, sest sel on standardne JEDEC SRAM väljund ja sellele on võimalik sarnaselt BBSRAM-ile kirjutada baidi-kaupa konfiguratsioonis. Ka oma hinna poolest on MRAM BBSRAM-iga konkurentsivõimeline.
Lisaks BBSRAM asendamisele pakub MRAM võrreldes olemasolevate mälu tehnoloogiatega ka muid olulisi jõudluse eeliseid.
Näiteks püsimälud nagu kõvaketas ja välkmälu salvestavad juhiseid ja andmeid operatsioonisüsteemidest ja üksikutest programmidest ning kannavad neid vajadusel üle protsessorisse. See ülekanne võib käituda „pudelikaelana” ja takistada protsessori jõudlust. MRAM salvestab selle sama informatsiooni, kuid on võimeline toimetama selle otse mikroprotsessorile ilma „pudelikaela” tekitamata. Need omadused teevad MRAM-ist täiusliku püsimälu RAID serverite, andmete voogesituse, süsteemi seadistuse ja „musta kasti” rakenduste jaoks.
Erinevate mälutehnoloogiate võrdlus
Kui võrrelda MRAM-i teiste mälutehnoloogiatega võib näha, et see võib olla konkurentsivõimeline ülepidise jõudluse poolest. Kuna MRAM on püsiv, säilitab see andmeid isegi siis, kui see on täiesti välja lülitatud. Kuna tausta „värskendamist” ei nõuta, saab MRAM-i välja lülitada, kui seda parasjagu ei kasutata, vähendades seega oluliselt süsteemi voolutarvet . Üheselt mõistetav integratsiooniskeem, mida MRAM-i jaoks kasutatakse, muudab selle lihtsamini integreeritavaks.
Võrreldes SRAM-iga on MRAM tänu oma väiksemale raku suurusele ka soodsam. Samuti on see püsiv, mis on SRAM-i puhul teostatav vaid keerulisema ja kallima aku toetusega lahenduse puhul. MRAM suudab saavutada palju parema kirjutamisjõudluse kui välkmälu, sest ei vajata kõrgepinge-tunnelvoolu režiimi, mis on välkmälu korral vajalik. MRAM-i kirjutamistsükkel on palju kiirem ja tarbib palju vähem energiat, sest energia biti kohta on mitu suurusjärku väiksem kui välkmälu puhul. Lisaks on MRAM-il piiramatu vastupidavus ja pole teada ühtegi mälu lagundavat või rikkuvat protsessi. Samas on tüüpilise välkmälu vastupidavus 105 lugemise/kirjutamise tsüklit.
Küsija says
Kas keegi oskab viidata, on sellisel tehnoloogial põhinevad mälud juba arendamisel? Või lausa, millal selliseid oodata võiks?
Mihkel Veske says
Oodata juba üsna pea:
http://www.mram-info.com/everspin-officially-announces-worlds-first-st-mram-chip-will-be-available-2013
Samal lehel viide ka väikesele kommentaarile:
http://www.mram-info.com/video-everspin-explains-its-st-mram-technology-and-product
Kokkuvõte: esialgu on nad suunitlenud end spetsiifilisematesse rakendustesse, nt RAID kontrolleri cache mälu, DRAMi laialdasem väljasuretamine võtab veel aega.