Fortschritte in der Halbleitertechnologie

Neue MRAM-Speicherklasse verhält sich wie nichtflüchtiges DRAM

| Autor / Redakteur: Joe O’Hare, Ben Cooke und Sarin Deshpande / Sebastian Gerstl* / Tina Billo

256 MBit DDR3 ST-MRAM im Standard-BGA-Gehäuse: Fortschritte bei der MRAM-Technologie ermöglichen eine neue Speicherklasse, die sich wie nicht-flüchtiges DRAM verhält.
256 MBit DDR3 ST-MRAM im Standard-BGA-Gehäuse: Fortschritte bei der MRAM-Technologie ermöglichen eine neue Speicherklasse, die sich wie nicht-flüchtiges DRAM verhält. (Bild: Everspin Technologies)

Der Durchbruch des Perpendicular-Spin-Torque-Switching, der 3. Generation der MRAM-MTJ-Technologie (Magnetic Tunnel Junction) von Everspin hat eine Klasse nichtflüchtiger DRAM-ähnlicher Produkte mit DDR3- und DDR4-Hochgeschwindigkeitsschnittstellen möglich gemacht. Dieser Artikel behandelt die Technologie und die Produkte und beschreibt die Anwendungen, die von ST-MRAM (Spin Torque MRAM) profitieren.

Magnetoresistiver RAM-Speicher hat sich durch seine einzigartige Kombination aus bytegenauer Adressierbarkeit, hoher Geschwindigkeit und nichtflüchtiger Speicherung mit sehr hoher Wiederbeschreibbarkeit, ausgezeichneter Datenerhaltung und hoher Zuverlässigkeit im Markt ausgezeichnet. Infolgedessen gelten sie als zuverlässige Speicher zum Aufzeichnen und Schützen kritischer Systemdaten. Fortschritte in der MRAM-Technologie machen nun eine neue Speicherklasse möglich, die alle Vorteile von DRAM mit einer nichtflüchtigen Speicherung verbindet und sich wie nichtflüchtiges DRAM verhält.

Entwickler von Speichereinheiten, Systemen und Servern für Unternehmen verfügen nun über eine Speichertechnologie, die die Anforderungen an einen Hochgeschwindigkeitsspeicher erfüllt und von sich aus nichtflüchtig ist. Damit können komplexe und kostspielige Backup-Stromversorgungen mit hohem Platzbedarf, zum Beispiel Batterien oder Superkondensatoren, entfallen.

Nichtflüchiger Hochgeschwindigkeitsspeicher

Die magnetoresitive RAM-Technologie speichert die Daten – anders als bei herkömmlichen Halbleiterspeichertechnologien – nicht als eine elektrische Ladung, sondern als einen magnetischen Zustand. Sie ist als diskrete oder Embedded-Lösung verfügbar. MRAM-Produkte lesen und schreiben Daten mit ähnlichen Geschwindigkeiten wie die meisten DRAM- und SRAM-Speicher, bieten jedoch die Nichtflüchtigkeit des Flash-Speichers, und dies mit wesentlich höherer Wiederbeschreibbarkeit.

Der Lesevorgang beruht bei allen MRAM-Typen auf der Erkennung des Widerstands des Speicherelements, eines magnetischen Tunnelkontakts (MTJ). Beim Schreiben des magnetischen Zustands des MTJ unterscheiden sich die Generationen dieser Technologie. MRAM-Produkte niedrigerer Speicherdichte aus der 1. Generation der Field-Switched-Technologie mit Bitdichten von 128 KBit bis 16 MBit bieten Schreibgeschwindigkeiten wie bei SRAM mit praktisch unbegrenzter Wiederbeschreibbarkeit.

Besser skalierbare Bitzellen

Produkte mit höherer Dichte auf der Grundlage von Spin-Torque-MRAM in MRAM-Technologie der.zweiten und dritten Generation mit Bitdichten von 64 MBit oder mehr bieten ähnliche Schreibgeschwindigkeiten wie DRAM und haben im Vergleich zu anderen nicht-flüchtigen Speichertechnologien eine höhere Wiederbeschreibbarkeit. Die jeweiligen MRAM-Generationen entsprechen Fortschritten beim MTJ und dem zugehörigen Schreibmechanismus. Bild 1 zeigt einen Vergleich der Field-Switched-Bitzelle der ersten Generation mit Spin-Torque-MRAM der zweiten Generation, das mit In-Plane-MTJ arbeitet.

Die Entwicklung von Spin-Torque-MRAM hat zur Verwirklichung der dritten Generation der MRAM-Technologie als Produkt geführt. Sie arbeitet mit einem pMTJ, dessen Magnetisierungszustände senkrecht zur Schichtebene liegen (siehe Bild 2). Diese Struktur benötigt gegenüber In-Plane-MTJ einen wesentlich niedrigeren Schreibstrom und hat somit einen geringeren Energiebedarf, einen längeren Datenerhalt und eine höhere Wiederbeschreibbarkeit. Da die Magnetisierungseigenschaften nicht mehr von der Form oder vom Seitenverhältnis des MTJ abhängen, verbessert sich auch die Skalierbarkeit der Bitzelle. Mit MRAM der 3. Generation werden Dichten von einem GBit und mehr möglich.

Hohe Schreibgeschwindigkeit und Wiederbeschreibbarkeit

Herkömmliche Speichertechnologien haben entweder hohe Schreibgeschwindigkeiten oder sie sind nichtflüchtig, jedoch nicht beides. MRAM verbindet diese beiden Eigenschaften. Dadurch ist es ideal für den Datenerhalt bei Ausfall oder Unterbrechung der Spannungsversorgung sowie zum Speichern von Daten, die häufig geschrieben und gelesen werden. Die folgenden Merkmale machen MRAM zu einer immer wichtigeren anwendungsspezifischen Speicherlösung für Systeme, bei denen nichtflüchtiger Speicher mit der Geschwindigkeit und Wiederbeschreibbarkeit von RAM erforderlich ist:

  • Nicht-flüchtig. MRAM behält die Daten bei Unterbrechung oder Ausfall der Stromversorgung.
  • Hohe Schreibgeschwindigkeiten. MRAM bietet die gleichen Speichergeschwindigkeiten wie die schnellsten verfügbaren flüchtigen Speichertechnologien, einschließlich des meisten DRAM und SRAM. MRAM schreibt einen Block bis zu 100.000-mal schneller als NAND-Flash.
  • Überlegene Wiederbeschreibbarkeit. MRAM kann fast 10 Millionen Mal öfter wiederbeschrieben werden als NAND-Flash.
  • Für größere Dichten und kleinere Prozessgeometrien skalierbar.
  • Nachgewiesen in hohen Stückzahlen herstellbar.
  • Niedriger Energiebedarf. Die Spannungsversorgung kann völlig abgeschaltet werden. Damit nimmt es keine Energie auf, behält trotzdem die Daten, und nach dem Wiedereinschalten kann auf die Daten schnell zugegriffen werden.

SCM mit RAM-Leistung

MRAM gilt als echter Storage-Class-Speicher (SCM) mit der Nichtflüchtigkeit von Speichermedien und der hohen Leistung von RAM. Es befinden sich weitere Technologien in der Entwicklung, zum Beispiel resistives RAM (ReRAM), Phase-Change-Memory (PCM), Conductive-Bridge-RAM (CB-RAM) und 3D XPoint. Diese Technologien haben zwar eine höhere Schreibgeschwindigkeit und Wiederbeschreibbarkeit als NAND, doch keine von ihnen lässt sich so schnell beschreiben wie ST-MRAM (siehe Bild 3). So lässt sich nur ST-MRAM als nicht-flüchtiger Speicher direkt in einem Speicherkanal einsetzen.

Außerdem kann ST-MRAM mit der zehnmillionenfachen Wiederbeschreibbarkeit von NAND als Pufferspeicher, Cache-Speicher oder Arbeitsspeicher anstelle von DRAM mit Superkondensatoren eingesetzt werden, um ein einfacheres Systemdesign zu erreichen und Platz zu sparen. Bild 4 zeigt Vorteile von ST-MRAM gegenüber den anderen Technologien auf.Spin-Torque-MRAM-Produkte von Everspin haben DDR3- und DDR4-DRAM-Schnittstellen mit geringfügigen Unterschieden bei Timing, Latenz und Seitengröße

  • Raten bis 2133 MT/s/Pin.
  • BGA-Gehäuse, anschlusskompatibel zu JEDEC-DRAM. Abbildung 5 zeigt das 78polige BGA-Gehäuse für das 256 MBit DDR3 ST-MRAM.
  • Ein Refresh ist nicht erforderlich.
  • Hohe Wiederbeschreibbarkeit. Daher keine Notwendigkeit von Wear-Levelling und Over-Provisioning.

Dank der nichtflüchtigen Speicherung können die Batterien oder Superkondensatoren entfallen, die häufig eingesetzt werden, um die Spannungsversorgung von DRAM-basierten Systemen aufrechtzuerhalten und ausreichende Zeitreserven zur Datenrettung zu schaffen.

Höhere Zuverlässigkeit in kleineren Formfaktoren

Um die Datenintegrität zu gewährleisten ist das Power-Down-Management bei SSD im Unternehmenseinsatz besonders wichtig. Der Einsatz von ST-MRAM als Schreibspeicher verringert die Menge der nicht geschützten Daten bei einem Spannungsausfall erheblich. Bei SSD kommt die Energie zur Aufrechterhaltung der Stromversorgung aus Superkondensatoren oder Batterien, die auf der Leiterplatte viel Platz beanspruchen. Eine heterogene Architektur aus DRAM und MRAM sorgt für eine wesentliche Verringerung des Bedarfs an gespeicherter Energie. Damit schafft sie Platz und verringert die Anzahl der Bauteile bei einer besseren Herstellbarkeit und höheren Zuverlässigkeit. Das Ergebnis sind weniger Platzprobleme und kleinere Formfaktoren. Bild 5 zeigt ein Blockschaltbild einer SSD-Implementierung.

Die Kapazität zur Aufrechterhaltung der Spannung in einer SSD für den Einsatz in Unternehmen kann von ca. 15 mF auf unter 1 μF verringert werden. Dadurch werden Superkondensatoren überflüssig. Bei SSD, deren Größe bereits durch den verfügbaren Platz beschränkt wird, beispielsweise U.2 oder M.2, können wesentlich mehr Daten vor dem Verlust bei Stromausfall geschützt werden. Ein größerer Schreibpuffer erlaubt es außerdem, die Schreibverstärkung zu reduzieren, indem mehr ungesicherte Daten gepuffert werden, bevor sie in das Flash-Array geschrieben werden, was die Lebensdauer der SSD erhöht.

Speicher für RAID-Systeme und Storage-Server

MRAM-Produkte haben sich in der Praxis als äußerst zuverlässiger Hochleistungsspeicher zum Aufzeichnen und Schützen kritischer Systemdaten bewährt. Durch Fortschritte in der MRAM-Technologie ist Speicher möglich geworden, der sich wie nichtflüchtiges DRAM verhält. ST-MRAM wird in Speichersystemen für Unternehmen als Schreibpuffer beziehungsweise Cache, anfänglich in SSD, eingesetzt. Dadurch, dass keine großen Superkondensatoren oder Batterien benötigt werden, eröffnet ST-MRAM den Herstellern von High-End-SSD erhebliche Vorteile.

Diese Vorteile werden noch ausgeprägter, wenn Hochgeschwindigkeits-SSD mit kleinem Formfaktor, wie M.2 und U.2, sich stärker durchsetzen. Mit zunehmender Bitdichte wird dieselbe Technologie auch in RAID-Systemen und in Speicher-Servern als echter Storage-Class-Speicher (SCM) eingesetzt werden. Andere in der Entwicklung befindliche nichtflüchtige Speichertechnologien bieten nicht die hohe Schreibgeschwindigkeit und Wiederbeschreibbarkeit, um sie als nichtflüchtiges DRAM einsetzen zu können. In diesen Punkten ist ihnen ST-MRAM überlegen.

* Dieser Beitrag wurde von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

* Joe O'Hare ist Director of Product Marketing bei Everspin Technologies. Ben Cooke ist Applications Manager bei Everspin Technologies. Sarin Deshpande ist Program Project Manager bei Everspin Technologies.

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