Autorzy: Banaszek Juliusz Dębski Janusz. Pamięci RAM kierunki rozwoju.

Transkrypt

1 Autorzy: Banaszek Juliusz Dębski Janusz Pamięci RAM kierunki rozwoju.

2 Rodzaje pamięci Pamięci RAM ROM Volatile RAM Non-volatile RAM Reprogrammable ROM Once programmable ROM SRAM DRAM FeRAM MRAM MEMS NRAM OUM PRAM EPROM EEPROM & Flash Mask-based ROM PROM 2

3 Układ pomiarowy Information Input Information transmission Information Processing Information storage Outside word Output DRAM, MRAM Magnetic (HDD) Optical (CD, DVD) 3

4 Co to jest MRAM? MRAM (z ang. Magnetoresistive Random Access Memory) rodzaj pamięci nieulotnej RAM; Wykorzystuje: - magnetyczne złącza tunelowe (MTJ) - zjawisko tunelowej magnetorezystancji (TMR) 4

5 Dlaczego MRAM? Pamięć MRAM łączy w sobie bardzo ważne zalety trzech rodzajów pamięci: -szybkość porównywalną ze SRAM -gęstość upakowania porównywalną z DRAM -trwałość zapisu pamięci EPROM Taka pamięć MRAM mogłaby zastąpić w komputerach nie tylko pamięć RAM, ale i twardy dysk!!! Według oczekiwań twórców pamięć MRAM mogłaby być tańsza od dzisiejszych twardych dysków. I takie są oczekiwania zarówno twórców, jak i przyszłych odbiorców. 5

6 RAM różnice Tabela 1 Tabela 2 6

7 Historia MRAM Magnetic core memory had the same reading writing principle as MRAM European scientists (Albert Fert and Peter Grunberg) discovered the giant magnetoresistive effect Motorola (later to become Freescale) initiates work on MRAM development IBM and Infineon established a joint MRAM development program A 128 kbit MRAM chip was introduced, manufactured with a 180 nm lithographic process December - Freescale Semiconductor Inc. demonstrates an MRAM that uses magnesium oxide, rather than an aluminum oxide, allowing for a thinner insulating tunnel barrier and improved bit resistance during the write cycle, there by reducing the required write current July - Austin Texas - Freescale Semiconductor begins marketing a 4-Mbit MRAM chip November - NEC Develops World's Fastest SRAM-Compatible MRAM With Operation Speed of 250MHz Japanese satellite, SpriteSat, to use Freescale MRAM to replace SRAM and FLASH components August - Scientists in Germany have developed next-generation MRAM that is said to operate as fast as fundamental performance limits allow, with write cycles under 1 nanosecond. 7

8 Rozmiary komórki pamięci 8

9 Budowa komórki MRAM 9

10 Architektura MRAM Duża rezystancja 1 Mała rezystancja 0 10

11 Full MTJ Stack for MRAM Low resistance contact Switches between two magnetic states in applied field. Stores information. Tunnel barrier. Affects resistance and MR ratio. Synthetic Antiferromagnet (SAF). AF coupling through Ru layer makes the structure stable in applied magnetic fields. Relative thickness of Fixed and Pinned used to center loop. Pins the bottom magnetic layers. Seeds growth, determines crystal structure Low resistance contact 11

12 MTJ rozmiary warstw 4nm 1..2nm 3nm 3nm NiFe (free layer) Al 2 O 3 (tunneling barrier) CoFe (fixed layer) Ru CoFe (pinned layer) Ferromagnet I Tunnel barrier Ferromagnet II Jako ferromagnetyków używa się zwykle Co, Fe lub NiFe, funkcję izolatora pełni Al2O3 lub MgO. 12

13 TMR - Tunneling Magnetoresistance 13

14 TMR 14

15 Transfer spinu przełomowe odkrycie 15

16 Effect of Increasing Polarization 16

17 Zapis bitu w MRAM Zapis polega na przemagnesowaniu miękkiego materiału magnetycznego przez płynący prąd, co powoduje zmianę rezystancji złącza

18 Odczyt bitu w MRAM Wybór konkretnego bitu do odczytu: bit line & word line pomiar rezystancji 18

19 Zapis i odczyt komórki 19

20 4Mb MRAM - parametry 0.18μm CMOS with 3 layers of Aluminum and 2 layers of Copper Interconnects Cladded write lines 256K x16 Organization 3.3V Supply Voltage Symmetrical 25ns read and write timing Bit Cell Size = 1.55μm2 Die Size 4.5 x 6.3mm 4Mb MRAM 20

21 Bio MRAM? MRAM array Biomolecule labeled by magnetic markers 21

22 Przyszłość MRAM w liczbach 22

23 Co to jest DRAM? Pamięć dynamiczna, DRAM (ang. Dynamic Random Access Memory) rodzaj ulotnej pamięci półprzewodnikowej o dostępie swobodnym, której bity są reprezentowane przez stan naładowania kondensatorów. Poszczególne jej elementy zbudowane są z tranzystorów MOS, z których jeden pełni funkcję kondensatora, a drugi elementu separującego. Komórka DDRAM 23

24 Popularne odmiany pamięci DRAM EDO Extended Data Out DRAM FPM Fast Page Mode DRAM SDRAM Synchronous DRAM RAMBUS (RDRAM) DDR Dual Data Rate Synchronous DRAM DDR2 Dual Data Rate Synchronous DRAM wersja druga DDR3 Dual Data Rate Synchronous DRAM wersja trzecia 24

25 DRAM zapis, odczyt, odświeżanie Cs - jeden dla każdego bitu CBL - jeden dla każdej kolumny Tr tranzystor MOS BL linia bitu WL linia słowa Zapis: ładowanie kondensatora Cs poprzez odblokowanie Tr (linia WL) i wstawienie BL w odpowiedni stan STOPNIOWE ROZŁADOWYWANIE KONDENSATORA Cs. 25

26 DRAM zapis, odczyt, odświeżanie Cs - jeden dla każdego bitu CBL - jeden dla każdej kolumny Tr tranzystor MOS BL linia bitu WL linia słowa Odczyt: otwarcie Tr; układy związane z linią BL (ang. sense amplifier) odczytują poziom napięcia, a następnie doładowują kondensator Cs (ustaw BL na Vdd/2, faza redystrybucji ładunku między Cs i CBL, faza detekcji stanu i faza doładowania Cs) 26

27 DRAM zapis, odczyt, odświeżanie Cs - jeden dla każdego bitu CBL - jeden dla każdej kolumny Tr tranzystor MOS BL linia bitu WL linia słowa Odświeżanie: to odczyt bez wyprowadzenia danych na zewnątrz; odblokowanie tranzystorów w wierszu (WL) powoduje iż układy odczytu stanu wszystkich linii BL doładują wszystkie kondensatory w związane z bitami tego wiersza; ukryte odświeżanie następuję po każdym odczycie 27

28 Architektura DRAM 28

29 Disk-type capacitor Scanning electron micrograph: Stack with roughened surface of the bottom electrode (HSG-Si) for increased effective area (Mitsubishi 64Mb) Scanning electron micrograph: Stacks as disks made of Si02 as base for capacitor (Mitsubishi 256Mb) 29

30 DRAM w technice 40nm Samsung wytworzył pierwsze na świecie układy DRAM w 40- nanometrowym procesie technologiczny, które na razie dostępne będą wyłącznie w 1- gigabajtowych modułach pamięci DDR2. Mają się charakteryzować: 60 procent większą wydajnością, o 30 procent mniejszym poborem mocy, mniejszą ilością wydzielanego ciepła w stosunku do pamięci wytworzonych w 50-nanometrowej technologii. 30

31 Przyszłość Technologia 90nm Technologia 60nm Gęstość upakowania: 1MRAM odpowiada 25% SRAM 1MRAM odpowiada 176% DRAM Zużycie mocy: Szybkość odczytu: 31

32 Bibliografia MRAM Technology: Status and Future Challenges - Jon Slaughter, Cornell CNS Nanotechnology Symposium, 14 May, 2004, Magnetoresistive Random Access Memory - Freescale Semiconductor, Inc., Circuit Considerations forspin-switched MRAM - wykład DevicesJohn, Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) - James Daughton, 2/4/00, Advanced MRAM Concepts - James M. Daughton, NVE Corporation, 2/7/01 32