磁性随机存取存储器(MRAM)是一种非易失性存储器技术,正在作为一种主流的数据存储技术被业界所广泛接受。它集成了一个磁阻器件和一个硅基选择矩阵。MRAM的关键属性有非易失性、低电压工作、无限次读写的耐用性、快速读写操作,并且作为后端技术而容易集成。这些特性使得MRAM有可能替代各种应用中的许多类型存储器。
在最简单的实现中,一个MRAM单元由连接着一个选择晶体管的磁性隧道结(MTJ)组成。磁性隧道结有两个磁层组成,中间用一个很薄的氧化隧道势垒隔开。其中一个磁层有固定的磁方向,被称为参考层(FR),另一个称为存储层(SL),它可以从一个方向切换到另一个方向。存储比特的阻抗是低是高取决于存储层相对于固定参考层的磁方向,即平行或反平行。要读取一个比特时,选择晶体管导通,有个小的读取电流流经隧道结,如图1所示。然后将结点阻抗的值与位于高低阻抗值之间一半的参考阻抗进行比较。
图1:(a)第一代MRAM中使用的传统架构在正交写入线的交叉点和选择晶体管顶部包含MTJ单元。(b)最小磁滞回线的原理图显示存储层的反转和两个对应的阻值:高“1”和低“0”。传统MRAM架构中使用的读取(c)和写入机制(d)。在读取时,选择晶体管处于导通状态,有个小的电流流经MTJ堆栈,允许其阻抗的测量。在写入时,选择晶体管处于断开状态,2个正交磁场的组合确保了选择性。
图2:传统MRAM架构(a)和TAS-MRAM架构(b)中的写入过程。在TAS-MRAbM写入方法(c)中,存储单元的写入只有在克服反铁磁性物质的阻塞温度后才有可能,而这种物质能阻止存储层(当两个层被磁性退耦时)。(d)TA-MRAM堆栈总览,其中存储层和参考层都受到反铁磁性层的牵制。
区分不同MRAM主要靠写入存储层的方法。所有这些传统方法都存在一个共同的问题,即它们的可缩放性。随着MTJ尺寸的缩小,长时间保持写入的数据状态的能力也会降低。虽然业界尝试用了各种方法来抵消这种效应,但它们都存在着使用高得多的功率写入数据的问题,从应用角度看使得这种存储器缺乏吸引力,从而限制了市场的普及。
磁性随机存取存储器(MRAM)是一种非易失性存储器技术,正在作为一种主流的数据存储技术被业界所广泛接受。它集成了一个磁阻器件和一个硅基选择矩阵。MRAM的关键属性有非易失性、低电压工作、无限次读写的耐用性、快速读写操作,并且作为后端技术而容易集成。这些特性使得MRAM有可能替代各种应用中的许多类型存储器。
在最简单的实现中,一个MRAM单元由连接着一个选择晶体管的磁性隧道结(MTJ)组成。磁性隧道结有两个磁层组成,中间用一个很薄的氧化隧道势垒隔开。其中一个磁层有固定的磁方向,被称为参考层(FR),另一个称为存储层(SL),它可以从一个方向切换到另一个方向。存储比特的阻抗是低是高取决于存储层相对于固定参考层的磁方向,即平行或反平行。要读取一个比特时,选择晶体管导通,有个小的读取电流流经隧道结,如图1所示。然后将结点阻抗的值与位于高低阻抗值之间一半的参考阻抗进行比较。
图1:(a)第一代MRAM中使用的传统架构在正交写入线的交叉点和选择晶体管顶部包含MTJ单元。(b)最小磁滞回线的原理图显示存储层的反转和两个对应的阻值:高“1”和低“0”。传统MRAM架构中使用的读取(c)和写入机制(d)。在读取时,选择晶体管处于导通状态,有个小的电流流经MTJ堆栈,允许其阻抗的测量。在写入时,选择晶体管处于断开状态,2个正交磁场的组合确保了选择性。
图2:传统MRAM架构(a)和TAS-MRAM架构(b)中的写入过程。在TAS-MRAbM写入方法(c)中,存储单元的写入只有在克服反铁磁性物质的阻塞温度后才有可能,而这种物质能阻止存储层(当两个层被磁性退耦时)。(d)TA-MRAM堆栈总览,其中存储层和参考层都受到反铁磁性层的牵制。
区分不同MRAM主要靠写入存储层的方法。所有这些传统方法都存在一个共同的问题,即它们的可缩放性。随着MTJ尺寸的缩小,长时间保持写入的数据状态的能力也会降低。虽然业界尝试用了各种方法来抵消这种效应,但它们都存在着使用高得多的功率写入数据的问题,从应用角度看使得这种存储器缺乏吸引力,从而限制了市场的普及。
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