MRAM內(nèi)存技術(shù)利用磁矩存儲位態(tài)，業(yè)已證明完全可以滿足眾多的商業(yè)應(yīng)用。而型號為MR2A16A的存儲器，具有許多獨特的特征，可以適用于許多方面的應(yīng)用。

　　MRAM的特征

　　4Mb的MR2A16A以256Kx16位配置進行排列。它采用異步設(shè)計，使用標準芯片使能、寫使能和輸出使能引腳，從而保證了系統(tǒng)靈活性并防止總線沖突。分離的使能引腳可以實現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)總線控制，可以按8位或16位讀寫數(shù)據(jù)。MRAM本身是一種非易失性存儲技術(shù)，在不需要電能的情況下可以保留存儲內(nèi)容至少十年。

　　MR2A16A具有無限的寫周期。經(jīng)研究顯示，MR2A16A位元在差的操作環(huán)境下可以經(jīng)受58萬億次讀寫周期。迄今為止，MR2A16A位元還沒有出現(xiàn)過老化失效，而有關(guān)位讀寫周期方面的進一步研究還在繼續(xù)進行。MR2A16A使用0.18μm工藝和創(chuàng)建位元的特有MRAM處理技術(shù)。利用這兩種技術(shù)實現(xiàn)了共五層之間的內(nèi)部互連。

　　芯片的工作電壓為3.3V。高速讀寫訪問時間對稱，均為35ns。該器件還可以進行全靜態(tài)操作。首款MRAM器件采用符合RoHS標準的44芯TSOP II型封裝。該封裝采用工業(yè)標準的中間電源和接地SRAM引腳，從而可以用于采用相同的SRAM結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有硬件系統(tǒng)中(見圖1、表1和圖2)。

　　MRAM的應(yīng)用領(lǐng)域

　　現(xiàn)在，MR2A16A在那些要求系統(tǒng)崩潰時必須保存數(shù)據(jù)的應(yīng)用中非常有價值，這一點非常關(guān)鍵。當系統(tǒng)產(chǎn)生電源故障時，有一些重要的數(shù)據(jù)需要在完全掉電前快速保存。存儲在MR2A16A中的數(shù)據(jù)參數(shù)可以在稍后找回，用來診斷或調(diào)試造成系統(tǒng)失效的原因。MR2A16A是此類“黑盒子”應(yīng)用程序的解決方案，因為它可以在完全掉電前快速將數(shù)據(jù)寫入SRAM，而且一旦完全掉電后可以保留數(shù)據(jù)。

　　MRAM也非常適合于娛樂性應(yīng)用，這些應(yīng)用需要具有繼續(xù)游戲的功能。停電時，指示正在播放媒體的時間戳的書簽被快速存儲到非易失性MRAM存儲器上。加電后就可以立即繼續(xù)播放(見圖3)。

　　通過對加密的管理，MRAM可以對系統(tǒng)安全做出貢獻。加密參數(shù)可以快速存儲，并且在系統(tǒng)關(guān)閉時會保留。同樣，停電過程中游戲機需要數(shù)據(jù)參數(shù)快速存儲和數(shù)據(jù)的完整性。

　　MRAM位元操作

　　MR2A16A配有包含一個晶體管和一個磁隧結(jié)(1T1MTJ)的位元。磁隧結(jié)或MTJ位于MRAM位元的中心。它由放置在兩個磁性層之間的非常薄的氧化鋁(AlOx)電介質(zhì)層組成。每個磁性層都有一個磁性極與之相關(guān)聯(lián)。頂部磁性層稱為自由層，因為它可以自由地轉(zhuǎn)換極性。底部磁性層稱為固定層，因為極性固定且無法改變。

　　圖1：MR2A16A存儲芯片的外形封裝

　　表1：MR2A16A存儲器的引腳功能

　　圖2：MR2A16A存儲器的架構(gòu)方框圖

　　圖3：利用存儲器實現(xiàn)多媒體回放

　　圖4：MTJ同極性結(jié)構(gòu)——低阻

　　存儲位的置“0”狀態(tài)或置“1”狀態(tài)正是由自由層的極性來確定的。自由層極性和固定層極性一致時(指向相同方向)，穿越MTJ棧層的阻抗很低(請參閱圖4)。自由層極性和固定層極性180度相反時(指向相反方向)，穿越MTJ棧層的阻抗就很高(請參閱圖5)。由MTJ堆棧中的低阻抗和高阻抗來確定是否將位元讀為“0”或“1”。

　　圖5：MTJ反極性結(jié)構(gòu)——高阻

　　編程操作中，自由層的極性跳轉(zhuǎn)至兩個方向中的一個方向。具體極性根據(jù)銅內(nèi)連接在MTJ的頂部和底部上的垂直方向來確定。穿越垂直的內(nèi)連接層的電流產(chǎn)生一個磁場，該磁場將自由層的極性按相反方向翻轉(zhuǎn)(如圖6所示)。

　　圖6：1T1MTJ的位元結(jié)構(gòu)

　　實現(xiàn)MRAM可靠存儲的一個主要障礙是高位干擾率。對目標位進行編程時，非目標位中的自由層會被誤編程。目前飛思卡爾半導體研究人員已經(jīng)成功解決了此問題，其方法是，在每次出現(xiàn)位狀態(tài)空翻時，產(chǎn)生一個跳變位，它將磁矩的方向旋轉(zhuǎn)到同一方向。寫入線1和寫入線2上的反轉(zhuǎn)脈沖電流使極性旋轉(zhuǎn)，從而不會干擾相同行或列的其它位元。

　　要進一步隔離非目標位，使其不受干擾，飛思卡爾半導體使用鍍層包裹內(nèi)部銅連線的三個側(cè)面。此鍍層將磁場強度引向并集中到目標位元。這使得目標位可以使用低得多的電流進行編程，并隔離磁場周邊的通常會遭到干擾的位元。

　　大批量生產(chǎn)MRAM設(shè)備的另一個難題是由于極薄的AlOx隧道結(jié)。AlOx結(jié)厚度上得很小變化都會導致位元電阻的很大不同。飛思卡爾半導體也解決了這一問題，從而實現(xiàn)了在整個晶圓表面上以及整個批量上，都能產(chǎn)生一致的隧道結(jié)。

　　飛思卡爾半導體還通過增加兩個附加層來改進固定磁性層。在固定層下面增加了一層釕(Ru)。而在Ru層下面有增加了另一層稱為牽制層(pinning layer)的磁性層。固定層和牽制層的極性相反，將會引起很強的耦合。該強耦合使固定層的極性保持鎖定，因此不會在編程操作過程中引起誤反轉(zhuǎn)(圖7)。

　　圖7：牽制層通過強磁場耦合來鎖定非目標位的極性以免被誤編程

　　MRAM與其它存儲器的比較

　　相對其它存儲器MRAM有許多顯著的優(yōu)點(如表2所示)。

　　表2：各種存儲器技術(shù)的主要性能比較

　　相對于閃存 閃存技術(shù)是利用存儲在一片放置在柵氧化層上的浮動多晶硅(浮動柵)上的電荷來實現(xiàn)存儲的。閃存位元的編程需要強電場，將電子加速到足夠的速度以便電子可以克服硅層和浮動柵之間氧化層的能阻。這使得電子穿透氧化層對浮動柵充電，從而改變位元晶體管的閾值電壓。電子重復地穿越氧化層造成氧化層材料的逐漸耗損，故閃存的讀寫次數(shù)僅限于10k~1M次，之后位元存儲功能將喪失。由于連續(xù)的寫操作，某些閃存10天后就可能損壞。而MRAM可以經(jīng)受無限次的寫周期，因為沒有充電和放電過程。磁性極在編程過程中旋轉(zhuǎn)，這是非破壞性和非退化性的操作。

　　編程過程中，閃存需要高電壓吸引電子穿越氧化層材料，而MRAM則使用電流創(chuàng)建磁場來對自由層編程。通常閃存在存儲器陣列的大塊上執(zhí)行程序或擦除操作，而MRAM可以在單獨地址上執(zhí)行寫操作。

　　相對于SRAM SRAM需要電能來保留內(nèi)存內(nèi)容，因為使用的是采用CMOS邏輯的有源晶體管，而MRAM存儲器是利用自由磁性層的極性來保存內(nèi)容的，磁層是帶磁性的，因此不需要電能就能保留其狀態(tài)。

　　隨著技術(shù)繼續(xù)進一步縮小SRAM單元，幾何設(shè)備越小泄漏就會越多。對于單個位元而言泄漏可能微不足道，但是內(nèi)存設(shè)備中有成百萬個單元，因此泄漏就會非常大。隨著技術(shù)性的發(fā)展而進一步縮小單元，此影響會繼續(xù)增大。然而MRAM是非易失性的，在系統(tǒng)中可以利用停電保護技術(shù)，從而使泄漏電流接近于零。

　　電池后備供電的SRAM 電池后備供電的SRAM由SRAM單元以及同一封裝中附帶的電池組成。此內(nèi)存是非易失性的，因為電池提供保留內(nèi)存內(nèi)容所需要的電能。然而MRAM不需要電池來保留數(shù)據(jù)。MRAM的讀寫速度比電池后備供電的SRAM要快。不使用電池提高了可靠性(由于電池組件本身降低了可靠性)，并消除了與廢棄電池相關(guān)聯(lián)的環(huán)境保護問題。

　　相對于EEPROM 與具備有限次寫周期能力的MRAM相比，即便是優(yōu)異的電子可擦寫只讀存儲器(EEPROM)，其編程速度也較慢。

　　相對于NVSRAM NVSRAM或非易失性SRAM采用SRAM和EEPROM的結(jié)合。NVSRAM在停電過程中將SRAM上的數(shù)據(jù)存儲至EEPROM。但是，這種向EEPROM進行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移非常慢。因為緩慢的轉(zhuǎn)移速度，需要利用一個較大的外部電容器保持電能，從而在進行數(shù)據(jù)保存轉(zhuǎn)移時對NVSRAM供電。然而，MRAM寫入速度更快，從而數(shù)據(jù)可以在正常的系統(tǒng)操作過程中寫入。因此在停電過程中所需的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移量很小。使用MRAM不僅可以安全寫入內(nèi)存，還不需要較大的外部電容器。

　　相對于FRAM 雖然鐵電RAM(FRAM)也是一種非易失性RAM，但通常陣列很小，一般為4k～1M位。陣列很小的原因在于FRAM技術(shù)的可擴縮性有限，從而無法進一步縮小位元尺寸。而MRAM的可擴縮性限制與FRAM不同，因此可以實現(xiàn)較大的存儲器陣列。另外，MRAM編程還比FRAM快。某些FRAM的寫周期次數(shù)有限，大約為100億次。一些FRAM也要求在讀取之后刷新存儲器，因為操作破壞了所讀取位元的內(nèi)容。

　　相對于DRAM 動態(tài)RAM(DRAM)需要不斷刷新存儲器才能保存數(shù)據(jù)。而MRAM則不需要刷新存儲器。

　　MRAM的發(fā)展前景

　　下一階段的MRAM將會用于自動化方面的應(yīng)用中。使用MRAM的汽車撞車記錄器將可以在事故發(fā)生過程中收集并存儲更多的數(shù)據(jù)。在此類應(yīng)用中，電源常常會在發(fā)生撞車時中斷，此時存儲器中的內(nèi)容仍需要保存下來。撞車記錄器中保留的數(shù)據(jù)可以用于確定事故原因或汽車故障。

　　使用傳感器的自動化應(yīng)用也從MRAM技術(shù)得到很大的益處。因為傳感器持續(xù)向內(nèi)存儲器中寫入數(shù)據(jù)，對于閃存而言難以與該數(shù)據(jù)流速保持一致。新的氣囊系統(tǒng)具有傳感器來檢測并記錄旅客重量、與汽車上其它安全設(shè)備的交互以及碰撞的程度。

　　需要不斷地寫入存儲器的其它自動化系統(tǒng)還有里程表、輪胎氣壓表和ABS。由于不斷地寫入，很容易就會超出存儲器的寫擦除能力，導致存儲器損壞。MRAM的無限次寫周期將確保系統(tǒng)更可靠，在氣囊和ABS這類的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)中更需要。

　　基于MRAM有許多優(yōu)點，還可以將其用于軍事應(yīng)用。有許多系統(tǒng)依賴于電池后備供電的SRAM。這些應(yīng)用對電池有固有的依賴性。而MRAM是一種更可靠的選擇，軍事應(yīng)用已意識到這一點。Honeywell已經(jīng)許可飛思卡爾半導體的MRAM技術(shù)用于軍事和航空應(yīng)用。

　　隨著MRAM技術(shù)的改進，嵌入式系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)將會有巨大變動。到目前為止，MRAM具有的潛力來替代嵌入式微控制器中的RAM+Flash存儲器(通常RAM用于數(shù)據(jù)存儲，閃存用作程序內(nèi)存)。MRAM將會替代這兩種存儲器，實現(xiàn)單存儲器體系結(jié)構(gòu)。在微處理控制器中具有芯片特定的ROM代碼，可以用MRAM來替代以對那些代碼進行快速現(xiàn)場可編程升級。

　　在更大的系統(tǒng)中，微處理器與RAM內(nèi)存的交互提供了快速讀寫能力。DRAM大都用作臨時存儲區(qū)來儲存應(yīng)用程序。硬盤驅(qū)動器用于存儲應(yīng)用程序軟件和數(shù)據(jù)的非易失性信息，但讀寫緩慢。一旦用MRAM替代所有的這些存儲設(shè)備之后，PC和其它系統(tǒng)將可以即時啟動，并可以停止的位置恢復工作。MRAM的這些優(yōu)異性能可以為此技術(shù)打開廣泛的市場機會。

　　目前，還沒有通用的存儲器。所有的存儲器在寫周期、讀寫速度、數(shù)據(jù)保存、陣列密度、能量消耗和價格方面都各有缺陷。市場上所有現(xiàn)有的存儲器都有其固有的限制，使其無法具有所有存儲器類型綜合起來的功能。但是，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，MRAM以其獨有的優(yōu)勢有望成為通用的存儲器。

　　MRAM耐擦寫周期試驗

　　MRAM MR2A16A位耐擦寫周期研究的目的是確定MRAM位元是否具有耐擦寫限制。該研究試驗還包括通過存儲器的重復使用是否對軟誤差率(SER)具有負面影響。寫周期試驗是在高溫系統(tǒng)中進行的，許多單元可以同時運行。功能測試和軟誤差率數(shù)據(jù)的收集在ATE上完成。

　　該設(shè)備在4MHz(250ns)和90℃條件下運行。MR2A16A的頻率是28.5MHz(35ns)。商用產(chǎn)品的環(huán)境溫度要求是70℃。經(jīng)計算，如果將4MHz上運行的器件的工作頻率增加到28.5MHz，MR2A16A結(jié)溫將升高20℃。因此，盡管溫度要求是70℃，而實際上卻在90℃溫度下進行該項研究。

　　寫周期、功能測試和SER數(shù)據(jù)收集都是在壞額定電壓和溫度工作條件下進行的。此時，研究結(jié)果顯示，試驗單元經(jīng)過58萬億次擦寫周期而沒有出現(xiàn)任何故障。目前研究還在繼續(xù)進行，目的是為了驗證所獲取的MR2A16A 1T1MTJ位單元寫周期數(shù)據(jù)的普遍性。