STT-MRAM (Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory) adalah generasi kedua dari MRAM (memori akses acak magnetik). Keunggulan utamanya terletak pada penggunaan teknologi spin current untuk mencapai penulisan informasi yang efisien. Komponen inti dari unit penyimpanannya adalah MTJ (magnetic tunnel junction) yang didesain dengan baik, yang terdiri dari dua lapisan feromagnetik dengan ketebalan berbeda yang diapit oleh lapisan isolasi non-magnetik yang tebalnya hanya beberapa nanometer. Desain unik ini menjadikan STT-MRAM sebagai memori non-volatile canggih yang melakukan operasi penulisan data dengan mengontrol arus putaran secara tepat.
Prinsip Kerja STT-MRAM
Unit penyimpanan terdiri dari transistor, sambungan terowongan magnetik (MTJ) dan jalur penghubung. MTJ ditumpuk oleh lapisan tetap (magnet kuat), lapisan isolasi non-magnetik dan lapisan bebas (magnet lemah), di mana momen magnetik lapisan bebas mudah dibalik. Transistor digunakan sebagai sakelar pemilihan lokasi, dan saluran pembuangannya terhubung ke lapisan tetap MTJ. Ketika transistor diaktifkan oleh gerbang, sumber, saluran pembuangan, MTJ, dan jalur bit membentuk sirkuit tertutup.
Saat menulis informasi, garis bit dan garis informasi tulis tambahan masing-masing menghasilkan medan magnet tulis semi-pilih, dan kedua medan magnet tersebut bersifat ortogonal. Hanya ketika sel penyimpanan dipilih dan jalur informasi tulis tambahan diaktifkan, momen magnetis dari lapisan bebas dibalik oleh medan magnet ganda, paralel atau anti-paralel dengan momen magnetis dari lapisan tetap, menghasilkan perubahan pada resistansi MTJ, sehingga mewujudkan penyimpanan informasi.
Ketika membaca informasi, arus kecil melewati sel memori yang dipilih, menghasilkan perbedaan potensial melintasi MTJ, yang mencerminkan status resistansi. Dengan mengukur beda potensial, arah relatif momen magnetik dari lapisan bebas dan lapisan tetap dapat ditentukan secara non-destruktif, sehingga dapat membaca informasi yang tersimpan.
(Alur proses MRAM setelah mode MTJ)
Karakteristik STT-MRAM
- Dalam kasus kegagalan daya yang tak terduga, fitur memori non-volatile yang melekat pada STT-MRAM memungkinkan pelanggan untuk melindungi data mereka tanpa bergantung pada baterai cadangan.
- Performa baca/tulis STT-MRAM yang cepat secara signifikan mengurangi latensi baca/tulis sistem, sehingga eksekusi aplikasi di tempat menjadi lebih efisien.
- STT-MRAM memiliki karakteristik baca-tulis bandwidth tinggi dan tidak mudah menguap, dan dapat memainkan fungsi ganda memori dan memori yang sedang berjalan; Tidak ada penundaan penulisan; Dapat mewujudkan sistem mematikan perlindungan otomatis.
- Memori STT-MRAM adalah produk independen dalam negeri, pengiriman batch pertama.
- Keamanan data diperkuat secara signifikan, sehingga lebih nyaman untuk mengembangkan dan menggunakan aplikasi yang tahan terhadap gangguan.
- SRAM+FLASH+EEPROM dapat diganti secara bersamaan.
Perbandingan STT-MRAM dengan memori umum adalah sebagai berikut:
Tabel 1:
| ITEM | STT-MRAM | BINGKAI | NVSRAM | TOGGLE-MRAM |
| Jenis memori | Non-Volatile | Non-Volatile | Non-Volatile | Non-Volatile |
| Metode penulisan | OverWrite | OverWrite | OverWrite | OverWrite |
| Siklus penulisan | 25ns | 150ns | 25ns | 35ns |
| Jumlah pembacaan/penulisan | 1E+13 | 1E+14 | 1E+7 | 1E+13 |
| Kepadatan Data | Tinggi | Rendah | Rendah | Tengah |
| Waktu retensi | > 20 tahun | 10 tahun | 20 tahun | > 20 tahun |
Tabel 2:
| ITEM | STT-MRAM | EEPROM | FLASH | SRAM | BINGKAI |
| Jenis Memori | Non-Volatile | Non-Volatile | Non-Volatile | Voltile | Non-Volatile |
| Metode Tulis | Menimpa | Hapus + Tulis | Hapus + Tulis | Menimpa | Menimpa |
| Waktu Siklus Tulis | 25ns | 10μs | 10μs | 5ns | 150ns |
| Siklus Baca/Tulis | 1E+13 | 1E+6 | 1E+5 | tidak terbatas | 1E+14 |
| Sirkuit Penguat | Tidak. | Ya. | Ya. | Tidak. | Tidak. |
| Baterai Cadangan Data | Tidak. | Tidak. | Tidak. | Ya. | Tidak. |
Aplikasi
Sebagai teknologi yang mengganggu, STT-MRAM secara bertahap membentuk kembali lanskap kinerja produk di berbagai bidang, mulai dari elektronik konsumen dan komputer pribadi hingga otomotif, medis, militer, dan kedirgantaraan. Yang memprediksi babak baru industri semikonduktor, apalagi memberi energi pada potensi inovasi produk.
Dalam industri otomotif, STT-MRAM, dengan kecepatan baca yang unggul, konsumsi daya yang sangat rendah dan kepadatan yang tinggi, jauh melebihi eFlash dan eSRAM, dan telah menjadi kekuatan utama dalam mendorong kecerdasan otomotif dan performa tinggi. Untuk perangkat portabel dan pasar ponsel, STT-MRAM menyederhanakan desain dengan menyatukan subsistem memori melalui penghapusan paket multi-chip (MCP), secara signifikan mengurangi konsumsi daya sistem dan memperpanjang masa pakai baterai.
Dalam domain komputer pribadi, STT-MRAM menunjukkan kemampuan substitusi yang kuat. Baik berfungsi sebagai cache berkecepatan tinggi untuk SRAM, menggantikan memori flash sebagai cache non-volatile, atau bahkan menggantikan PSRAM dan DRAM dalam eksekusi program berkecepatan tinggi, STT-MRAM menunjukkan keunggulan performa. Selain itu, dalam berbagai aplikasi yang disematkan, STT-MRAM secara bertahap menggantikan flash NOR dan SRAM, sehingga muncul sebagai pilihan baru untuk meningkatkan performa dan keandalan sistem.
