Po latach obietnic i spekulacji Freescale Semiconductor rozpoczął masową produkcję pamięci Magnetic RAM.

Freescale Semiconductor jest pierwszym producentem układów półprzewodnikowych, który zdecydował się na wprowadzenie do produkcji masowej nieulotnych pamięci Magnetic RAM (MRAM). Zdaniem wielu specjalistów być może już za 5 lat zaczną one zastępować pamięci DRAM, Flash, a także dyski magnetyczne.

Ta perspektywa jest na razie tylko niepewną prognozą, bo przynajmniej kilka innych technologii wytwarzania pamięci nieulotnych może jeszcze nawiązać konkurencję z MRAM. Pojawienie się tych pamięci na rynku daje im poważną przewagę nad pozostałymi technologiami, które wciąż są co najwyżej w fazie prezentacji laboratoryjnych prototypów.

Długa przygrywka

Badania nad możliwością budowy pamięci MRAM rozpoczęły się już w latach 90., a liczba firm, które zainwestowały w rozwój tej technologii, jest imponująca - można tu wymienić: Cypress Semiconductor, Freescale Semiconductor, Grandis, Honeywell, IBM, Infineon Technologies, Micron, NEC, Renesas Technology, Sony Toshiba, TSMC. Micron i Cypress Semiconductor zdążyły się już wycofać z inwestowania w rozwój MRAM.

Pierwsze prototypowe pamięci MRAM zostały zaprezentowane w 2003 r., a od tego czasu systematycznie odbywały się kolejne tego typu pokazy mające jednak bardziej marketingowe niż praktyczne znaczenie. Dopiero ostatnio, w lipcu tego roku, Freescale Semiconductor przełamała tę tendencję, zapowiadając wprowadzenie pamięci MRAM do masowej produkcji.

Niedawno firma przedstawiła układy MR2A16A, które produkuje już na większą skalę. Według Freescale Semiconductor już dwóch klientów kupuje od niej ilości masowe. Pamięci te są wytwarzane w technologii 180-nanometrowej, mają pojemność 4 Mb (architektura 256 K x 16 b), czas zapisu 35 ns i katalogową cenę 25 USD za sztukę (przy zakupie 1 tys. sztuk). Według zapewnień producenta czas przechowywania danych bez konieczności zasilania układu to co najmniej 10 lat.

Magnes zamiast prądu

W pamięciach DRAM, SRAM i Flash zapis jest realizowany przez ładunek elektrostatyczny i modyfikujący jego wartość prąd elektryczny. Pamięci MRAM wykorzystują podobną technologię zapisu danych jaka jest stosowana w dyskach magnetycznych (magnetyczna polaryzacja elementów). W odróżnieniu od nich do sterowania nie są stosowane elementy mechaniczno-elektryczne (głowice), a układy zmieniające kierunek namagnesowania pojedynczych komórek pamięci.

W uproszczeniu każda komórka składa się z dwóch warstw magnetycznych rozdzielonych izolatorem. Jedna warstwa ma stałą polaryzację namagnesowania, a druga zmienną. Odczyt zapisanej w komórce wartości (zero lub jeden) polega na pomiarze rezystancji, której wartość zależy od względnego kierunku namagnesowania obu warstw. Do pomiaru wykorzystywane są zintegrowane z pamięcią tranzystory sterujące. Więcej informacji na temat technologii MRAM można znaleźć w serwisie:http://www.mram-info.com

Na razie nie widać perspektyw wprowadzenia na rynek pamięci uniwersalnej, która zapewniałaby wysoką szybkość, dużą gęstość, niski pobór mocy i przystępną cenę. Każda z technologii - DRAM, SRAM, MRAM, FRAM, Flash i inne znajdujące się w fazie rozwoju - mają zarówno zalety, jak i pewne wady. W przypadku MRAM stosunek zalet do wad wydaje się jednak szczególnie korzystny.

Wiele zalet w małej skali

Podobnie jak Flash, MRAM jest pamięcią nieulotną, niewymagającą zasilania, w przeciwieństwie do układów DRAM lub SRAM. Czas zapisu danych w pamięci MRAM to ok. 35 ns, choć IBM zaprezentował już laboratoryjne prototypy tego typu układów z czasem dostępu zaledwie 2 ns. To więcej niż w przypadku DRAM lub SRAM (5-10 ns), ale znacznie mniej niż w przypadku pamięci Flash, który jest liczony w milisekundach.

Najistotniejszą przewagą MRAM nad Flash jest znacznie wieksza trwałość. Różni producenci pamięci Flash deklarują różną liczbę cykli zapisu danych. Rozbieżności są bardzo duże - od 1 tys. do 1 mln. Według danych Freescale, MRAM wytrzymuje co najmniej 58 x 10^12 takich operacji). W stosunku do typowych pamięci SDRAM, układy MRAM oferują kilkakrotnie większą gęstość upakowania, a więc mniejsze wymiary przy tej samej objętości. W porównaniu z Flash lub DRAM gęstość MRAM jest jednak znacznie mniejsza.

Dodatkowe pamięci MRAM to odporność na wysokie temperatury, promieniowanie i mniejszy pobór energii niż Flash. Operacje zapisu i odczytu wymagają niskiego napięcia (3,3 V w przypadku układów Freescale), co powoduje, że zużycie energii przez układy MRAM powinno być istotnie mniejsze niż w pamięciach Flash, które przy zapisie wymagają stosowania impulsów napięcia na poziomie 10 V.

Nowe zastosowania

Freescale Semiconductor zapowiada, że już wkrótce zaprezentuje układy wytwarzane za pomocą procesu 90-nanometrowego. Jeszcze w przyszłym roku powinny pojawić się układy 65-nanometrowe, co rozpocznie erę bezpośredniego konkurowania z DRAM i SRAM - początkowo w zastosowaniach, w których właściwości pamięci MRAM są ważniejsze niż ich cena (wojsko i inne służby, medycyna, nauka itp.).

W perspektywie najdalej 5 lat ceny powinny jednak spaść na tyle, by można było na serio rozważać zastępowanie pamięciami MRAM pamięci DRAM i SRAM w zastosowaniach popularnych. Na pierwszy rzut pójdą notebooki i palmtopy, a z biegiem czasu także przenośne odtwarzacze muzyki. Jeśli w tych segmentach rynku pamięciom MRAM uda się zdobyć udział, ceny spadną bardzo szybko. Pamięci MRAM mają szansę nie tylko zastąpić pamięci DRAM i SRAM, ale także stworzyć całkiem nowe nisze.

Freescale Semiconductor już teraz zastanawia się z partnerami nad tym, jakie zastosowania powinna uznać za priorytetowe. Prawie na pewno pamięci MRAM zostaną wykorzystane w serwerach jako zabezpieczenie zawartości ich pamięci na czas braku zasilania. W związku z rysującymi się ograniczeniami wydajności technologii dyskowych w macierzach (w przeciwieństwie do pojemności) jest prawdopodobne, że układy MRAM zapoczątkują zupełnie nowe konstrukcje.