قسمت اول:با حافظه های رم M-RAM آَشنا شوید

حافظه های رم (Random Access Memory) امروزه در انواع و اقسام متفاوتی تولید می گردند.حافظه های رم علاوه بر سیستم های کامپیوتری در تلویزیون ها،گجت های دیجیتال،تبلت ها،گوشی های موبایل،اضافه تلفیقی سخت افزاری و… نیز مورد استفاده قرار می گیرد.حافظه های رم به صورت عمومی از مجموعه های ترانزیستوری و NAND ها استفاده می کنند.لازم به ذکر است که در برخی از الگوریتم های سخت افزاری در گذشته،حافظه رم وجود نداشت.اما امروزه این حافظه ها به عنوان یکی از مهمترین قسمت های یک ریتم سخت افزاری مورد استفاده قرار می گیرند.وظیفه اصلی حافظه های رم به طور ساده نگهداری موقت اطلاعات بر پایه الگوریتم باینری است.در این مقاله شما را با فناوری حافظه های رم M-RAM آشنا خواهیم ساخت.به عبارت بهتر این حافظه ها می توان در سرنوشت “RAM” ها موثر باشد.با ما همراه باشید.

جایزه نوبل فیزیک سال 2007 به اکتشافاتی اعطا شد که  به آن مقاومت مغناطیسی غول آسا یا به اختصار GMR می گفتند. GMR و پسر عمویش TMT (Tunnel Magneto-resisance) اثری است که در مواد مغناطیسی چند لایه خیلی نازک (یعنی چندین نانومتر) که با یک فلز (برای GMR) و یا یک فیلم عایق (برای TMR) جدا می شوند، به وجود می آیند. این اثر جدید از بارهای الکتریکی آشنا برای ما  روی الکترونها  مشابه با چرخش های نا آشنا برای ما استفاده می کند و آنها را برای ایجاد گروه جدیدی از وسایل الکتریکی، که امروزه به انها “اسپینترونیک” می گویند، ترکیب می کند. اثر اقتصادی GMR پس از کشف اولیه اش در اواخر دهه 1980 در اروپا بسیار زیاد بود، به همین دلیل امروزه در هدهای خواندن/نوشتن هارددیسکها و سنسورهای موقعیت اتومبیلها بکار گرفته شده اند. امروزه TMR به صورت بالقوه برای تغییر شکل حافظه نیمه رسانا بازاری نیز بکار گرفته شده اند.

مهندسین نیمه رسانا به دنبال راهی بودند تا بتواندد TMR را در حافظه چگالی بالا بکار بگیرند و بتوانند MRAM یا RAM  مغناطیسی را ارائه کنند. بسیاری از شرکتهای تولید کننده چیپ درگیر میادل تحقیقاتی این پروژه بوده اند اما تا به امروز موفقیتهای محدودی حاصل شده است. چون هدهای دیسک درایوها تنها از یک عنصر TMR استفاده می کنند به آن MTJ (پیوند مغناطیسی تونلی )، می گویند، حافظه های MRAM میلیونها MTJرا به شکل یک ساختار آرایه ای (یعنی یک MTJ برای هر یک از داده های ذخیره شده) نیاز دارند. این موضوع یکی از چالشهایی بوده که MRAM را برای پیاده سازی هد های دیسک درایو سخت تر می کند.

MRAM مزایای خاصی را از خود نشان می دهد، و بیش از یک دهه است که در تمامی ازمایشگاهها بر روی آن تحقیق می کنند. این حافظه غیرفرار، دوام بی پایان، سرعت بالای خواندن و نوشتن، دسترسی تصادفی به حافظه هزینه پایین و ترکیبی از تمام ویژگی هایی که تا به حال در هیچ یک از حافظه های دیگر مثل DRAM ، فلش مموری، SRAM، نیز بکار گرفته نشده اند. با MRAM تمام راهکارهای جدید برای معنای حافظه سطح سیستم جذاب خواهند بود. همچنین، SOC ها با حافظه های غیرفرار EMBED شده مجتمع و هزینه های خیلی پایین تر از SRAM (خیلی چگالتر از SRAM 6 ترانزیستوری) به دست خواهند آمد. اکثر شرکت های تولید نیمه رسانا عموما درگیر تحقیقات MRAM و طراحی آن هستند که از جمله آنها CYPRESSt، HITACHI، HYNIX، MOTOROLLA، NEC، SAMSUNG و توشیبا، هستند.

اولین نسل تکنولوژی MRAM هنگام ورود به بازار مشکلاتی را پیش روی خود دیده اند. چالشهای فنی که از تولید بازاری آن ممانعت به عمل آورده عبارتند از: پایداری،گزینشی و مقیاس بندی.

اولین نسل تکنولوژی MRAM به نوشتن بیت حافظه با یک میدان مغناطیسی تولید شده در خطوط فلز روی چیپ بوجود آمد. خصوصا، راه اندازی صحفحات X و Y فلز با جریانهای زیاد الکتریکی  یک میدان مغناطیسی آستانه در نقاط X و Y بوجود می آورد که می تواند داده را در سلول بیت بنویسد. تمامی دیگر سلولهای مجاور ممکن است تحت تاثیز مقدار X و Y قرار بگیرندو ممکن است نیمی از مقدار آستانه در این سلولها ذخیره شود.  و لذا این احتمال وجود دارد که در سلولهای حافظه خطر رونویسی بوجود بیاید. و باید در فرایند ساخت روی این موضوع دقت کافی وجود داشته باشد. بنابراین، تکنیک نوشتن X/Y خیلی دقت و کارایی لازم را در مقابل پدیده کاملا شناخته شده نیم انتخابی از دست می دهد. و لذا چالشهای پایداری و مقیاس بندی به مداخله کشیده می شوند.

داده های ذخیره شده در MRAM (مثل هر تکنولوژی حافظه دیگری) هم از لحاظ آماری و هم هر نوع اغتشاش پارازیتی دیگری در میدان باید احتمال حذفش را بررسی کرد. در MRAM آشفتگی حرارتی، احتمال اندک ولی مسلمی را در خصوص تغییر تصادفی داده ها ایجاد می کند. راه حل استاندارد حل مشکل از دست دادن داده ها افزایش مقدار استانه سوئیچینگ مواد مغناطیسی در MTJ است. با این وجود، افزایش میدان اجباری، میدان مغناطیسی قوی تری را برای نوشتن داده ها طلب می کند و موجب می گردد جریان نوشتن  بزرگتری در خطوط میدان X و Y بوجود آید. مقیاس بندی شکل فرایند این مشکل را به انتهای خود می رساند،چرا که وقتی میزان شکل فرایند کاهش می یابد (180 به 130 و به 90 و 65 و 45 نانومتر می رسد)پایداری حرارتی MTJ به عنوان حجم فضایی MTJ کاهش می یابد. این ناپایداری حرارتی نگران کننده به سوئیچینگ دائما در حال افزایش و جریان نوشتن خط میدان بر خلاف اصول کلی مقیاس بندی نیاز دارد. در بعضی جاها، بر جریان خط میدان، موارد پایداری، و اندازه این خصوصیات نمی توان غلبه کرد.خبرگان جوامع MRAM می گویند که این حائل از حدود 90 نانومتری به بالا ظاهر می شود.

ادامه دارد…