STT-MRAM (Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory) ist die zweite Generation von MRAM (magnetic random access memory). Sein Hauptvorteil liegt in der Verwendung der Spinstromtechnologie, um ein effizientes Schreiben von Informationen zu erreichen. Das Herzstück der Speichereinheit ist ein ausgeklügelter MTJ (magnetic tunnel junction), der aus zwei unterschiedlich dicken ferromagnetischen Schichten besteht, die von einer nur wenige Nanometer dicken nichtmagnetischen Isolierschicht umschlossen werden. Dieses einzigartige Design macht STT-MRAM zu einem fortschrittlichen nichtflüchtigen Speicher, der Daten durch präzise Steuerung des Spinstroms schreibt.
Arbeitsprinzip von STT-MRAM
Die Speichereinheit besteht aus einem Transistor, einem magnetischen Tunnelübergang (MTJ) und einer Verbindungsleitung. Der MTJ besteht aus einer festen Schicht (starker Magnetismus), einer nichtmagnetischen Isolationsschicht und einer freien Schicht (schwacher Magnetismus), wobei das magnetische Moment der freien Schicht leicht umkehrbar ist. Der Transistor wird als Standortwahlschalter verwendet, und sein Drain ist mit der festen MTJ-Schicht verbunden. Wenn der Transistor durch das Gate aktiviert wird, bilden Source, Drain, MTJ und Bitleitung einen geschlossenen Stromkreis.
Beim Schreiben von Informationen erzeugen die Bitleitung und die zusätzliche Schreibinformationsleitung jeweils halbselektive Schreibmagnetfelder, und die beiden Magnetfelder sind orthogonal. Nur wenn die Speicherzelle ausgewählt und die zusätzliche Schreibinformationsleitung eingeschaltet wird, wird das magnetische Moment der freien Schicht durch das doppelte Magnetfeld umgekehrt, parallel oder antiparallel zum magnetischen Moment der festen Schicht, was zu einer Änderung des MTJ-Widerstands führt und so die Informationsspeicherung realisiert.
Beim Auslesen von Informationen fließt ein kleiner Strom durch die ausgewählte Speicherzelle, der eine Potenzialdifferenz über der MTJ erzeugt, die deren Widerstandszustand widerspiegelt. Durch Messung der Potenzialdifferenz kann die relative Richtung der magnetischen Momente der freien Schicht und der festen Schicht zerstörungsfrei bestimmt werden, wodurch die gespeicherten Informationen ausgelesen werden können.
（MRAM-Prozessablauf nach MTJ-Modus）
STT-MRAM-Eigenschaften
- Bei unerwarteten Stromausfällen können die Kunden dank der inhärenten nichtflüchtigen Speicherfunktion von STT-MRAM ihre Daten sichern, ohne sich auf eine Backup-Batterie verlassen zu müssen.
- Die schnelle Lese-/Schreibleistung von STT-MRAM reduziert die Lese-/Schreiblatenz des Systems erheblich, wodurch die Ausführung von Anwendungen an Ort und Stelle effizienter wird.STT-MRAM
- STT-MRAM hat die Eigenschaften einer hohen Lese- und Schreibbandbreite und ist nicht flüchtig. Es kann die Doppelfunktion von Speicher und Laufspeicher übernehmen; es gibt keine Schreibverzögerung; es kann die automatische Abschaltung des Systems realisieren.
- Der STT-MRAM-Speicher ist ein inländisches, unabhängiges Produkt, das als erste Charge ausgeliefert wird.
- Die Datensicherheit wird deutlich erhöht, was die Entwicklung und Bereitstellung von Anwendungen, die gegen Manipulationen geschützt sind, erleichtert.
- SRAM+FLASH+EEPROM können gleichzeitig ausgetauscht werden.
Der Vergleich von STT-MRAM mit herkömmlichem Speicher ist wie folgt:
Tabelle 1:
| ITEM | STT-MRAM | FRAM | NVSRAM | TOGGLE-MRAM |
| Speicherart | Nicht-Voltil | Nicht-Voltil | Nicht-Voltil | Nicht-Voltil |
| Methode schreiben | OverWrite | OverWrite | OverWrite | OverWrite |
| Schreibzyklus | 25ns | 150ns | 25ns | 35ns |
| Anzahl der Lese-/Schreibvorgänge | 1E+13 | 1E+14 | 1E+7 | 1E+13 |
| Die Dichte der Daten | Hoch | Niedrig | Niedrig | Mitte |
| Verweildauer | >20 Jahre | 10Jahre | 20Jahre | >20 Jahre |
Tabelle 2:
| ITEM | STT-MRAM | EEPROM | FLASH | SRAM | FRAM |
| Speicher Typ | Nicht-Voltil | Nicht-Voltil | Nicht-Voltil | Voltile | Nicht-Voltil |
| Methode schreiben | Überschreiben Sie | Erase+Write | Erase+Write | Überschreiben Sie | Überschreiben Sie |
| Schreib-Zykluszeit | 25ns | 10μs | 10μs | 5ns | 150ns |
| Lese-/Schreib-Zyklus | 1E+13 | 1E+6 | 1E+5 | unbegrenzt | 1E+14 |
| Booster-Schaltung | Nein | Ja | Ja | Nein | Nein |
| Datensicherungsbatterie | Nein | Nein | Nein | Ja | Nein |
Anmeldung
Als bahnbrechende Technologie verändert STT-MRAM allmählich die Produktleistungslandschaft in einer Vielzahl von Bereichen, von der Unterhaltungselektronik und Computern bis hin zu Automobilen, Medizintechnik, Militär und Luft- und Raumfahrt. Damit wird ein neues Kapitel in der Halbleiterindustrie aufgeschlagen und das Potenzial für Produktinnovationen gesteigert.
In der Automobilindustrie übertrifft STT-MRAM mit seiner überragenden Lesegeschwindigkeit, seinem extrem niedrigen Stromverbrauch und seiner hohen Dichte eFlash und eSRAM bei weitem und hat sich zu einer Schlüsselkraft bei der Förderung von Intelligenz und hoher Leistung im Automobil entwickelt. Für tragbare Geräte und den Mobiltelefonmarkt vereinfacht STT-MRAM die Entwürfe durch die Vereinheitlichung von Speicher-Subsystemen durch den Wegfall von Multi-Chip-Packages (MCP), wodurch der Stromverbrauch des Systems erheblich gesenkt und die Batterielebensdauer stark verlängert wird.
Im Bereich der Personalcomputer beweist STT-MRAM starke Substitutionsfähigkeiten. Ob als Hochgeschwindigkeits-Cache für SRAM, als Ersatz für Flash-Speicher als nichtflüchtiger Cache oder sogar als Ersatz für PSRAM und DRAM bei der Hochgeschwindigkeits-Programmausführung, STT-MRAM weist Leistungsvorteile auf. Darüber hinaus ersetzt STT-MRAM in zahlreichen eingebetteten Anwendungen allmählich NOR-Flash und SRAM und entwickelt sich zu einer neuen Wahl zur Verbesserung der Systemleistung und Zuverlässigkeit.
