Speicher für Hochleistungsanwendungen Was ist Spin-Transfer-Torque-MRAM (STT-MRAM, ST-MRAM)?

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Spin-Transfer-Torque-MRAM ist ein nichtflüchtiger Halbleiterspeicher. Im Gegensatz zu Speicherarten wie DRAM oder SRAM speichert er die Informationen nicht mithilfe elektrischer Ladungen, sondern über magnetische Zustände, die über spinpolarisierte Ströme umgeschaltet werden. Dadurch lässt sich die Geschwindigkeit von SRAM mit der Persistenz von Flash-Speicher kombinieren.

Spin-Transfer-Torque-MRAM ist eine nichtflüchtige, magnetische Halbleiterspeichertechnologie und eine Weiterentwicklung von herkömmlichem MRAM. Für diese Art von Halbleiterspeicher existieren verschiedene Abkürzungen wie STT-MRAM, STT-RAM, ST-MRAM, ST-RAM oder SPRAM. Im Gegensatz zu DRAM oder SRAM werden die Informationen nicht über elektrische Ladungszustände, sondern über Magnetismus gespeichert. Die im STT-MRAM gespeicherten Inhalte bleiben auch ohne Versorgungsspannung erhalten.

Geschrieben werden die Daten nicht wie bei klassischem MRAM über äußere Magnetfelder, sondern über spinpolarisierte Ströme. STT-MRAM kombiniert die hohen Schreib-/Lesegeschwindigkeiten von SRAM mit der Nichtflüchtigkeit von Flash-Speicher.

Mittlerweile gibt es zwar nennenswerte kommerzielle Einsätze von STT-MRAM. Im Vergleich zu DRAM, SRAM und Flash-Speicher handelt es sich aber eher um Nischenbereiche. Typische Einsatzbereiche für Spin-Transfer-Torque-MRAM sind beispielsweise Enterprise-Speicher, Mikrocontroller und eingebettete Systeme oder Hochgeschwindigkeits-Cache mit Flash-ähnlicher Persistenz.

Einer der bekanntesten Hersteller von STT-MRAM ist Everspin. Von Everspin sind 1-Gb-DDR-STT-MRAM-Speicherbausteine verfügbar, die eine DDR4-ähnliche Schnittstelle haben und zum Beispiel in Enterprise-Storage und Rechenzentrumssystemen für Write-Caches mit Power-Loss-Schutz eingesetzt werden. Auch andere Unternehmen wie Samsung, IBM, Intel oder Avalanche Technology beschäftigen sich mit der STT-MRAM-Speichertechnologie und bieten teilweise entsprechende Produkte an. Die Speichertechnologie hat das Potenzial, sich zu einer führenden Speichertechnologie für Hochleistungsanwendungen zu entwickeln.

Prinzipielle Funktionsweise und Arten von Spin-Transfer-Torque-MRAM

STT-MRAM macht sich beim Beschreiben einer Speicherzelle das sogenannte Spinübertragungsdrehmoment (Spin Transfer Torque) zunutze. Die Speicherzellen haben eine Magnetic Tunnel Junction (MTJ), die aus zwei ferromagnetischen Schichten und einer dünnen Isolatorschicht (Tunnelbarriere) dazwischen besteht. Eine magnetische Schicht ist fest ausgerichtet (Fixed Layer), bei der anderen lässt sich die Ausrichtung verändern (Free Layer).

Um Informationen zu schreiben, wird ein spinpolarisierter Strom durch die MTJ geschickt. Der Eigendrehimpuls (Spin) der Elektronen übt ein Drehmoment auf die freie magnetische Schicht aus und verändert deren magnetische Ausrichtung. Die Ausrichtung wird durch den Strom bis zum nächsten Schreibvorgang dauerhaft gekippt. Eine parallele Magnetisierung von freier und fester Schicht hat einen niedrigen Widerstand und eine antiparallele Magnetisierung einen hohen Widerstand zur Folge. Über einen Messstrom lässt sich dieser Widerstandsunterschied und damit der Inhalt einer Speicherzelle auslesen.

Was die MTJ-Struktur der Speicherzellen angeht, lassen sich die beiden Speicherarten iMTJ (In-plane-MTJ-Standardstruktur) und pMTJ (Perpendicular MTJ) unterscheiden. Bei pMTJ sind die magnetischen Momente senkrecht zur Chipoberfläche ausgerichtet. Dadurch verbessert sich die Skalierbarkeit, und es sind höhere Speicherdichten bei geringerem Strombedarf möglich.

Vor- und Nachteile der STT-MRAM-Speichertechnologie

Vorteile der STT-MRAM-Speichertechnologie sind:

• hohe Schreib-/Lesegeschwindigkeiten und geringe Latenz, ähnlich wie DRAM oder SRAM,

• nichtflüchtige Speicherung der Daten auch ohne Versorgungsspannung,

• nahezu unbegrenzt oft wiederbeschreibbar,

• im Vergleich zu herkömmlichem MRAM besser skalierbar,

• niedriger Energieverbrauch.

Als Nachteile von STT-MRAM lassen sich aufführen:

• im Vergleich zu DRAM oder NAND höhere Kosten pro Bit,

• geringere Speicherdichte als Flash-Speicher,

• diverse noch zu lösende Herausforderungen im Bereich der Skalierung und Fertigung.

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