ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
------------o0o------------
TIỂU LUẬN THIẾT KẾ VI MẠCH SỐ
MRAM VÀ CÁC CÔNG NGHỆ MỚI TRÊN MRAM
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Thực hiện: Nguyễn Hiếu Nhân – 1813329
Ngô Minh Nhân – 1813327
Hồ Bá Phước – 1813638
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8/2021
MỤC LỤC
I. GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................................................................... 1
1. MEMORY và RAM .................................................................................................................. 1
2. PHÂN LOẠI .............................................................................................................................. 2
2.1. RAM đổi pha (PCRAM) ........................................................................................................ 2
2.2. RAM điện trở (RRAM) ......................................................................................................... 3
2.3. RAM điện từ (MRAM) .......................................................................................................... 3
II. ỨNG DỤNG GẦN ĐÂY CỦA MRAM ........................................................................................ 10
1. SOLDER-REFLOW-CAPABLE eMRAM ............................................................................ 10
2. A 28NM INTEGRATED TRUE RANDOM NUMBER GENERATOR HARVESTING
ENTROPY FROM MRAM ............................................................................................................... 12
3. KỸ THUẬT BỀ MẶT CỦA SOT-MRAM ĐỂ ĐIỀU CHỈNH SỰ KHUẾCH TÁN NGUYÊN
TỬ VÀ CHO PHÉP PMA ỔN ĐỊNH> 400 °C ................................................................................. 15
4. THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU AREA-EFFICIENT SOT-MRAM ............................................... 18
III. CÁC CÔNG NGHỆ, TIẾN BỘ MỚI CỦA MRAM GẦN ĐÂY ............................................. 22
IV. KẾT LUẬN .................................................................................................................................. 26
V. TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 27
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
I.
GIỚI THIỆU CHUNG
1. MEMORY và RAM
RAM (Random Access Memory) là một loại bộ nhớ khả biến cho phép truy xuất
đọc-ghi ngẫu nhiên đến bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ dựa theo địa chỉ bộ nhớ. Thông
tin lưu trên RAM chỉ là tạm thời, chúng sẽ mất đi khi mất nguồn điện cung cấp.
RAM là bộ nhớ chính của máy tính và các hệ thống điều khiển, để lưu trữ các
thông tin thay đổi đang sử dụng. Các hệ thống điều khiển còn sử dụng SRAM như làm
một thiết bị lưu trữ thứ cấp (secondary storage). Khi cần thiết thì bố trí một pin nhỏ làm
nguồn điện phụ để duy trì dữ liệu trong RAM. RAM có một đặc tính là thời gian thực
hiện thao tác đọc hoặc ghi đối với mỗi ô nhớ là như nhau, cho dù đang ở bất kỳ vị trí
nào trong bộ nhớ. Mỗi ô nhớ của RAM đều có một địa chỉ. Thông thường, mỗi ô nhớ
là một byte (8 bit); tuy nhiên hệ thống lại có thể đọc ra hay ghi vào nhiều byte (2, 4, 8
byte) một lúc.
RAM khác biệt với các thiết bị bộ nhớ tuần tự (sequential memory device) chẳng
hạn như các băng từ, CD-RW, DVD-RW, ổ đĩa cứng, trong đó bắt buộc phải tìm đến
sector và đọc/ghi cả khối dữ liệu ở đó để truy xuất. RAM là thuật ngữ phân biệt tương
đối theo ý nghĩa sử dụng, với các chip nhớ truy xuất ngẫu nhiên là EEPROM (read-only
memory) cấm hoặc hạn chế chiều ghi, và bộ nhớ flash được phép đọc/ghi.
Dữ liệu là tài nguyên có giá trị nhất trong nền kinh tế kỹ thuật số ngày nay. Hiện
tại, hơn 2,5 nghìn tỷ (1018) byte dữ liệu được tạo hàng ngày và ngày càng tăng nhanh,
do nhiều dữ liệu cần được xử lý. Bộ nhớ đóng một vai trò quan trọng trong luồng dữ
liệu. Khoảng cách giữa logic và bộ nhớ là điểm nối quan trọng đối với hiệu suất của hệ
thống. Để tối ưu hóa sự cân bằng giữa chi phí và hiệu suất, một hệ thống bộ nhớ phân
cấp đã được áp dụng. Ở trên cùng của hệ thống phân cấp là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
tĩnh (SRAM) và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM), cả hai đều là bộ nhớ điện
động (volatile). SRAM được tích hợp ngay trên các chip logic làm bộ nhớ đệm giúp
truy cập nhanh nhất. DRAM nhỏ hơn SRAM về mặt vật lý và do đó hỗ trợ dung lượng
cao hơn. DRAM nói chung là giải pháp bộ nhớ off-chip và chậm hơn SRAM ~ 10 lần
do yêu cầu làm mới liên tục. Bộ nhớ điện tĩnh (NVM) như Flash là thứ tiếp theo trong
1
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
hệ thống phân cấp cung cấp mật độ và dung lượng bộ nhớ cao hơn nhiều trong khi vẫn
bảo toàn thông tin khi không có điện.
Các công nghệ mới gần đây đang xuất hiện nhanh chóng để đưa các tác vụ xử lý
đến gần hoặc vào trong bộ nhớ để cải thiện hiệu quả tính toán và kích hoạt các chức
năng mới. Các NVM mới nổi sử dụng các loại vật liệu và cơ chế mới để lưu trữ dữ liệu.
Họ hứa hẹn sẽ kết hợp hệ thống phân cấp bộ nhớ để tăng hiệu suất tổng thể. Hơn nữa,
các đặc điểm độc đáo của chúng mang lại tiềm năng to lớn để kích hoạt các ứng dụng
mới (ví dụ: tính toán thần kinh cấu trúc) và các kiến trúc mới (ví dụ: tích hợp 3D).
2. PHÂN LOẠI
2.1.
RAM đổi pha (PCRAM)
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên thay đổi pha (PCRAM) là một loại bộ nhớ điện tĩnh
(không khả biến). PCRAM khai thác hành vi độc đáo của kính chalcogenide.. Trở kháng
của PCRAM chuyển đổi giữa trạng thái vô định hình (điện trở cao) và tinh thể (điện trở
thấp) bằng cách làm nóng và dập tắt Joule có kiểm soát, nhiệt sinh ra do dòng điện đi
qua một phần tử gia nhiệt thường làm bằng titan nitrua được sử dụng để làm nóng và
làm nguội nhanh thủy tinh, làm cho nó trở nên vô định hình hoặc để giữ nó trong phạm
vi nhiệt độ kết tinh của nó một thời gian, do đó chuyển nó sang trạng thái tinh thể. Trạng
thái điện trở của bộ nhớ phần lớn liên quan đến kích thước của vùng vô định hình và
khả năng kiểm soát và ổn định của nó. Điều này làm cho các cell PCRAM có khả năng
đặc biệt là để lưu trữ nhiều trạng thái (trở kháng) do đó có tiềm năng cho mật độ cell
hiệu quả cao hơn so với các bộ nhớ nhị phân thông thường. PCRAM có thể hỗ trợ cấu
hình mảng bao gồm một transistor với một mảng bộ nhớ (1T1R) và một bộ lựa chọn
dày đặc hơn với một mảng bộ nhớ (1S1R).
PCRAM cũng có khả năng đạt được một số trạng thái trung gian riêng biệt, do
đó có khả năng giữ nhiều bit trong một ô duy nhất, nhưng những khó khăn trong việc
lập trình các ô theo cách này đã ngăn cản khả năng này được thực hiện trong các công
nghệ khác (đáng chú ý nhất là flash bộ nhớ) với cùng khả năng.
2
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
2.2.
RAM điện trở (RRAM)
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (RRAM) là một loại bộ nhớ máy tính truy
cập ngẫu nhiên điện tĩnh (non-volatile) hoạt động bằng cách thay đổi điện trở trên một
vật liệu trạng thái rắn điện môi, thường được gọi là memristor.
RRAM mang một số điểm tương đồng với RAM cầu nối dẫn điện (CBRAM) và
RAM đổi pha (PCRAM). CBRAM thì liên quan đến một điện cực cung cấp các ion hòa
tan dễ dàng trong vật liệu điện phân, trong khi PCRAM liên quan đến việc tạo ra nhiệt
Joule đủ để tạo ra hiệu ứng thay đổi pha vô định hình thành tinh thể hoặc tinh thể thành
vô định hình. Ngược lại, RRAM liên quan đến việc tạo ra một lượng lỗ trống trong một
lớp oxit mỏng, được gọi là chỗ trống oxy (vị trí liên kết oxit nơi oxy đã bị loại bỏ), sau
đó có thể tích điện và trôi theo điện trường. Chuyển động của các ion oxy và lỗ trống
trong oxit sẽ tương tự như chuyển động của các electron và lỗ trống trong chất bán dẫn.
Mặc dù RRAM ban đầu được coi là công nghệ thay thế cho bộ nhớ flash, nhưng
lợi ích về chi phí và hiệu suất của RRAM vẫn chưa đủ để các công ty tiến hành thay thế.
Rõ ràng, nhiều loại vật liệu có thể được sử dụng cho RRAM. Tuy nhiên, một vài khám
phá cho rằng điện môi HfO2 ở cổng K phổ biến có thể được sử dụng làm RRAM điện
áp thấp đã khuyến khích các nhà nghiên cứu tìm hiểu thêm các khả năng của RRAM.
2.3.
RAM điện từ (MRAM)
Magnetoresistive random-access memory (MRAM) là một loại bộ nhớ truy cập
ngẫu nhiên không thay đổi, lưu trữ dữ liệu trong các miền từ tính. Được phát triển vào
giữa những năm 1980, những người đề xướng đã lập luận rằng MRAM cuối cùng sẽ
vượt qua các công nghệ cạnh tranh để trở thành một bộ nhớ vượt trội hơn tất cả. Hiện
tại, các công nghệ bộ nhớ đang được sử dụng như RAM flash và DRAM có những lợi
thế thiết thực khiến MRAM vẫn giữ vai trò thích hợp trên thị trường.
Không giống như các công nghệ chip RAM thông thường, dữ liệu trong MRAM
không được lưu trữ dưới dạng điện tích hoặc dòng điện, mà bằng các phần tử lưu trữ từ
tính. Các phần tử được hình thành từ hai tấm sắt từ, mỗi tấm có thể giữ từ tính, được
ngăn cách bởi một lớp cách điện mỏng. Một trong hai tấm là nam châm vĩnh cửu được
đặt ở một cực cụ thể; từ hóa của tấm kia có thể được thay đổi để phù hợp với từ trường
3
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
bên ngoài để lưu trữ bộ nhớ. Cấu hình này được biết đến như một điểm nối đường hầm
từ tính và là cấu trúc đơn giản nhất cho một bit MRAM. Một thiết bị bộ nhớ được xây
dựng từ một lưới các "cell" như vậy.
(Cấu trúc đơn giản của một cell MRAM)
Phương pháp đọc đơn giản nhất được thực hiện bằng cách đo điện trở của cell.
Một cell cụ thể thường được chọn bằng cách cấp nguồn cho một transistor được kết hợp
để chuyển dòng điện từ dòng cung cấp qua cell xuống đất. Do từ trở đường hầm, điện
trở của cell thay đổi theo hướng tương đối của từ hóa trong hai tấm sắt từ. Bằng cách
đo dòng điện tạo ra, có thể xác định điện trở bên trong bất kỳ cell cụ thể nào và từ đó
phân cực từ hóa của tấm sắt từ ghi được. Thông thường, nếu hai tấm có cùng sự liên kết
từ hóa (trạng thái điện trở thấp), điều này được coi là có nghĩa là "1", trong khi nếu sự
liên kết là đối cực thì điện trở sẽ cao hơn (trạng thái điện trở cao) thì điều này có nghĩa
là "0".
Dữ liệu có thể được ghi vào các cell bằng nhiều cách khác nhau. Trong thiết kế
đơn giản nhất, mỗi cell nằm giữa một cặp dòng viết được sắp xếp vuông góc với nhau,
song song với cell, một ở trên và một ở dưới cell. Khi dòng điện chạy qua chúng, một
từ trường cảm ứng được tạo ra tại đường giao nhau, mà tấm sắt từ ghi được sẽ nhận.
Mô hình hoạt động này tương tự như bộ nhớ lõi từ (magnetic-core memory), một hệ
thống thường được sử dụng vào những năm 1960. Tuy nhiên, cách tiếp cận này yêu cầu
4
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
một dòng điện khá lớn để tạo ra từ trường, điều này làm cho nó ít được áp dụng hơn đối
với việc sử dụng công suất thấp, đây là một trong những nhược điểm chính của MRAM.
Ngoài ra, khi thiết bị được thu nhỏ kích thước, sẽ có lúc trường cảm ứng chồng lên các
cell liền kề trên một khu vực nhỏ, dẫn đến khả năng ghi sai. Vấn đề viết nhiễu này
thường để dùng cho các mạch có kích thước tối thiểu khá lớn cho loại cell này. Một giải
pháp thử nghiệm cho vấn đề này là sử dụng các miền tròn được viết và đọc bằng cách
sử dụng hiệu ứng từ tính khổng lồ, nhưng có vẻ như dòng nghiên cứu này không còn
hoạt động nữa.
Một kỹ thuật mới hơn, xoắn truyền xoay (STT- spin-transfer torque) hoặc là
spin-transfer switching, sử dụng các điện tử phân cực để trực tiếp xoắn các miền. Kĩ
thuật STT có thể được sử dụng để lật các phần tử hoạt động trong bộ nhớ truy cập ngẫu
nhiên từ tính. STT-RAM (STT-MRAM) là bộ nhớ không thay đổi với mức tiêu thụ điện
rò rỉ gần như bằng không, đây là một lợi thế lớn so với các bộ nhớ dựa trên điện tích
như SRAM và DRAM. STT-RAM cũng có ưu điểm là tiêu thụ điện năng thấp hơn và
khả năng mở rộng tốt hơn so với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện từ thông thường
(MRAM) sử dụng từ trường để lật các phần tử hoạt động. Công nghệ mô-men xoắn
truyền spin có tiềm năng tạo ra các thiết bị MRAM khả thi kết hợp các yêu cầu hiện tại
thấp và giảm chi phí; tuy nhiên, lượng dòng điện cần thiết để định hướng lại từ hóa hiện
nay quá cao đối với hầu hết các ứng dụng thương mại, và chỉ riêng việc giảm mật độ
dòng điện này là cơ sở cho nghiên cứu hàn lâm hiện nay về điện tử spin.
(mô hình STT-RAM)
5
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
Các hạt tải điện (chẳng hạn như electron) có một đặc tính được gọi là spin, là
một lượng nhỏ mômen động lượng nội tại của hạt tải điện. Dòng điện nói chung là
không phân cực (bao gồm 50% spin-up và 50% spin-down electron); dòng điện phân
cực spin là dòng điện có nhiều electron hơn của spin. Bằng cách cho dòng điện đi qua
một lớp từ tính dày (thường được gọi là “fixed layer”), người ta có thể tạo ra dòng điện
phân cực spin. Nếu dòng điện phân cực spin này được dẫn vào một lớp từ tính thứ hai,
mỏng hơn (“free layer”), thì mômen động lượng có thể được chuyển đến lớp này, làm
thay đổi hướng của nó. Điều này có thể được sử dụng để kích thích dao động hoặc thậm
chí lật hướng của nam châm. Các hiệu ứng thường chỉ được nhìn thấy trong các thiết bị
quy mô nanomet.
Cụ thể, nếu các electron chạy vào một tầng phải thay đổi vòng quay của chúng,
điều này sẽ phát triển một mô-men xoắn sẽ được chuyển sang lớp gần đó. Điều này làm
giảm lượng dòng điện cần thiết để ghi các cell, làm cho nó giống như quá trình đọc. Có
lo ngại rằng loại cell MRAM "cổ điển" sẽ gặp khó khăn ở mật độ cao vì lượng dòng
điện cần thiết trong quá trình viết, một vấn đề mà STT tránh được. Vì lý do này, những
người đề xướng kĩ thuật STT hy vọng kỹ thuật này sẽ được sử dụng cho các thiết bị 65
nm và nhỏ hơn. Nhược điểm là cần phải duy trì sự mạch lạc của vòng quay. Nhìn chung,
STT yêu cầu dòng ghi ít hơn nhiều so với MRAM thông thường. Nghiên cứu trong lĩnh
vực này chỉ ra rằng dòng điện STT có thể giảm tới 50 lần bằng cách sử dụng cấu trúc
tổng hợp mới. Tuy nhiên, hoạt động tốc độ cao hơn vẫn yêu cầu dòng điện cao hơn.
Ngoài ra còn có các kĩ thuật tiềm năng khác bao gồm "thermal-assisted
switching" (TAS-MRAM), làm nóng nhanh các điểm nối đường hầm từ tính trong quá
trình ghi và giữ cho các nút giao tại đường hầm từ tính (MTJ) đó ổn định ở nhiệt độ
thấp hơn trong thời gian còn lại. "MRAM vận chuyển dọc" (VMRAM), sử dụng dòng
điện qua một cột thẳng đứng để thay đổi hướng từ tính, một cách sắp xếp hình học giúp
giảm vấn đề nhiễu ghi và do đó có thể được sử dụng ở mật độ cao hơn.
Đánh giá MRAM so với các RAM khác:
Mật độ (Density):
Yếu tố quyết định chính đến giá thành của hệ thống bộ nhớ là mật độ của các
thành phần được sử dụng để tạo nên nó. Các thành phần nhỏ hơn và ít hơn, có nghĩa là
6
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
nhiều cell hơn có thể được đóng gói trên một con chip duy nhất, do đó có nghĩa là có
thể sản xuất nhiều hơn cùng một lúc từ một tấm silicon duy nhất. Điều này cải thiện
năng suất, liên quan trực tiếp đến chi phí.
DRAM sử dụng một tụ điện nhỏ làm phần tử bộ nhớ, các dây dẫn để mang dòng
điện đến và đi, và một transistor để điều khiển nó - được gọi là cell "1T1C". Điều này
làm cho DRAM trở thành RAM mật độ cao nhất hiện có và do đó ít tốn kém nhất, đó là
lý do tại sao nó được sử dụng cho phần lớn RAM trong máy tính.
MRAM về mặt vật lý tương tự như DRAM, và thường yêu cầu một transistor
cho hoạt động ghi (mặc dù không hoàn toàn cần thiết). Việc mở rộng quy mô của
transistor đến mật độ cao hơn nhất thiết dẫn đến dòng điện khả dụng thấp hơn, điều này
có thể hạn chế hiệu suất MRAM ở các nút nâng cao.
Công suất (Power consumption):
Vì các tụ điện được sử dụng trong DRAM mất điện tích theo thời gian, các cụm
bộ nhớ sử dụng DRAM phải làm mới tất cả các cell trong chip của chúng nhiều lần
trong một giây, đọc từng cell và ghi lại nội dung của nó. Khi các cell DRAM giảm kích
thước, cần phải làm mới các cell thường xuyên hơn, dẫn đến tiêu thụ điện năng lớn hơn.
Ngược lại, MRAM không bao giờ yêu cầu làm mới. Điều này có nghĩa là nó
không chỉ giữ lại bộ nhớ khi tắt nguồn mà còn không có hiện tượng mất điện liên tục.
Trong khi quá trình đọc trên lý thuyết đòi hỏi nhiều năng lượng hơn quá trình tương tự
trong DRAM, trên thực tế, sự khác biệt dường như rất gần bằng không. Tuy nhiên, quá
trình ghi đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để vượt qua trường hiện có được lưu trữ trong
đường giao nhau, thay đổi từ ba đến tám lần công suất cần thiết trong quá trình đọc.
Mặc dù mức tiết kiệm điện năng chính xác phụ thuộc vào tính chất công việc - viết
thường xuyên hơn sẽ đòi hỏi nhiều năng lượng hơn - nói chung những người ủng hộ
MRAM mong đợi mức tiêu thụ điện năng thấp hơn nhiều (ít hơn tới 99%) so với DRAM.
MRAM dựa trên STT loại bỏ sự khác biệt giữa đọc và ghi, giảm hơn nữa yêu cầu về
điện năng.
7
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
Lưu trữ data (Data retention):
MRAM thường được quảng cáo là một bộ nhớ điện tĩnh. Tuy nhiên, MRAM
dung lượng cao chính hiện nay, bộ nhớ STT, cung cấp khả năng lưu giữ được cải thiện
với chi phí tiêu thụ điện năng cao hơn, tức là dòng ghi cao hơn. Đặc biệt, dòng điện tới
hạn (tối thiểu) tỷ lệ thuận với hệ số ổn định nhiệt Δ. Sự duy trì tỷ lệ thuận với exp (Δ).
Do đó, khả năng lưu giữ suy giảm theo cấp số nhân với dòng ghi giảm.
Tốc độ xử lý (speed):
Đối với STT MRAM, thời gian chuyển mạch chủ yếu được xác định bởi độ ổn
định nhiệt Δ cũng như dòng ghi. Δ lớn hơn (tốt hơn để lưu giữ dữ liệu) sẽ yêu cầu dòng
ghi lớn hơn hoặc xung dài hơn. Sự kết hợp giữa tốc độ cao và khả năng duy trì thích
hợp chỉ có thể thực hiện được với dòng ghi đủ cao.
Công nghệ bộ nhớ hiện tại duy nhất có thể dễ dàng cạnh tranh với MRAM về
hiệu suất ở mật độ tương đương là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM). SRAM
bao gồm một loạt các transistor được sắp xếp trong một bảng lật, sẽ giữ một trong hai
trạng thái miễn là có nguồn điện. Vì các transistor có yêu cầu điện năng rất thấp nên
thời gian chuyển mạch của chúng rất thấp. Tuy nhiên, vì một cell SRAM bao gồm một
số transistor, thường là bốn hoặc sáu transistor, mật độ của nó thấp hơn nhiều so với
DRAM. Điều này làm cho nó trở nên đắt đỏ, đó là lý do tại sao nó chỉ được sử dụng
cho một lượng nhỏ bộ nhớ hiệu suất cao, đặc biệt là bộ nhớ đệm CPU trong hầu hết các
thiết kế bộ xử lý trung tâm hiện đại.
Độ bền (Endurance):
Độ bền của MRAM bị ảnh hưởng bởi dòng điện ghi, giống như tốc độ duy trì và
tốc độ xử lý, cũng như dòng điện đọc. Khi dòng ghi đủ lớn để có tốc độ và khả năng
duy trì, xác suất đánh thủng MTJ cần được xem xét. Nếu tỷ lệ dòng điện đọc hay ghi
không đủ nhỏ, thì khả năng đọc bị nhiễu sẽ cao hơn, tức là lỗi đọc xảy ra trong một
trong nhiều chu kỳ chuyển mạch.
8
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
(Bảng so sánh các thông số tổng quát)
Nhìn chung, MRAM có hiệu suất tương tự như SRAM, được kích hoạt bằng cách
sử dụng đủ dòng ghi. Tuy nhiên, sự phụ thuộc vào dòng ghi này cũng khiến việc cạnh
tranh với mật độ cao hơn so với DRAM và Flash chính thống là một thách thức. Tuy
nhiên, một số cơ hội cho MRAM tồn tại khi mật độ không cần tối đa hóa.
9
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
II.
ỨNG DỤNG GẦN ĐÂY CỦA MRAM
1. SOLDER-REFLOW-CAPABLE eMRAM
Việc chứng minh tính high tunneling magneto- resistance trong magnetic tunnel
junctions (MTJs) đã cung cấp một thiết bị nhỏ gọn với tín hiệu đọc đủ lớn để phát hiện
nhanh. Sự dự đoán, sự biểu diễn và sự phát triển của spin transfer torque (STT) cho
phép ghi tất cả dữ liệu hoàn toàn bằng electron, tránh tỷ lệ nghịch của dòng ghi với
chiều của từ trường ghi. Cuối cùng, do vật liệu interace-induced perpendicular magnetic
anisotropy (PMA) được cung cấp để ghi hiệu quả hơn nhiều cho một mức độ nhất định.
Ở đây ta sẽ trình bày kết quả cho một MRAM "nhúng" tương thích logic cao (eMRAM)
để chứng minh 1 cách để thay thế Flash Embedded, thứ mà rất khó để mở rộng quy mô.
Sau đó, ta sẽ mô tả kết quả cell bộ nhớ từ các biến thể kích thước nhỏ hơn của các thiết
bị MRAM có thể cung cấp RAM hoạt động để giải quyết một loạt các ứng dụng mở
rộng.
(Bảng 1: so sánh MRAM nhúng có tỷ lệ duy trì cao các thuộc tính của Flash-embedded)
eFlash cung cấp giá trị gia tăng khả năng cho các foundry logic chip tiên tiến
như làm khóa bảo mật, mã và lưu trữ dữ liệu, khả năng lập trình ban đầu ở cấp độ wafer
trong quá trình sản xuất và nhiệt độ cao giữ lại. Cái giá phải đổi lại cho khả năng này là
nhiều tầng mask của quá trình xử lý bổ sung, sử dụng thao tác xóa chậm và một triển
10
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
vọng mở rộng ra hơn nữa không được tốt cho lắm. PMA STT MRAM (pSTT MRAM)
là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên có ít tầng mask, có thể tích hợp trên chip với một quy
trình logic tiêu chuẩn. Công suất có ích và hiệu suất vượt trội so với eFlash khi xem xét
về các giới hạn độ bền của nó.
Hai hình trên cho thấy một minh chứng về việc lưu giữ dữ liệu trên eMRAM
10Mb thông qua ba chu kỳ hàn tái tạo nhiệt. Đối với các thiết bị có khả năng hàn lại,
rào cản lưu giữ EB cho bit khá loạn do dao động nhiệt phát triển nhanh chóng ở nhiệt
độ thấp hơn, giả sử lưu giữ dữ liệu hơn 10 năm với tổn thất dữ liệu ít hơn 1ppm dưới
227 °C.
Phân bố dòng điện đọc (Hình 4) ổn định qua các chu kỳ ghi 100K ở -40 °C và
thông qua áp suất nhiệt độ cao 168 giờ. Quá trình xử lý hoàn toàn tương thích với quy
11
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
trình BEOL 400 ° C tiêu chuẩn, với Hình 5 cho thấy mặt cắt TEM từ MRAM được
nhúng trong tám lớp kim loại. Sau hoạt động phát triển MRAM ban đầu nhằm vào các
nút 40nm và 28nm, dữ liệu năng suất mảng 10 Mb ban đầu cho 22nm là đáng khích lệ.
Hình 6 cho thấy (a) die yield ở 125 °C, thường> 95% không có ECC, và (b) tỷ
lệ lỗi bit wafer trung bình, thường là ~ 0,2 ppm. Hình 7 là một ví dụ về die yield từ -40
đến 150 °C.
2. A 28NM INTEGRATED TRUE RANDOM NUMBER GENERATOR
HARVESTING ENTROPY FROM MRAM
Trình tạo số ngẫu nhiên (Random Number Generators - RNGs) là cách bảo mật
chính sơ khai trong các hệ thống bảo mật tạo khóa ngẫu nhiên và danh từ mật mã. Một
RNG bị hư hại có thể được khai thác để thực hiện các cuộc tấn công hệ thống. Trong
những năm gần đây, phần cứng TRNG thu thập entropy từ nhiễu vật lý ngày càng được
nghiên cứu. thông thường khuếch đại nhiễu nhiệt của thiết bị và thường yêu cầu thời
12
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
gian tích hợp lâu, thường yêu cầu thời gian tích hợp lâu, hiệu chuẩn rộng rãi và xử lý
hậu kỳ để đảm bảo mức độ ngẫu nhiên cao. Do đó, việc sử dụng các quá trình ngẫu
nhiên khác, chẳng hạn như sự phân hủy oxit MOS hoặc chuyển mạch ngẫu nhiên của
Magnetic Tunnel Junctions (MTJs) và Resistive RAM (RRAM) đã được đề xuất. So
với các thiết kế CMOS, MTJ và RRAM có thể cung cấp mật độ và thông lượng cao hơn.
MTJ phù hợp hơn với TRNG vì sức chịu đựng tốt hơn đáng kể. Hơn nữa, MTJ-based
Spin Torque Transfer Magnetic RAM (STT-MRAM) được nhiều người coi là một giải
pháp tương thích CMOS, không khả biến cho bộ nhớ đệm và bộ nhớ chính. Do đó, công
trình này trình bày một TRNG dựa trên MTJ tốc độ cao và nhỏ gọn, bổ sung một MRAM
nhúng thông thường với chi phí tối thiểu.
MTJ Switching Time-Based TRNG: Việc chuyển các MTJ từ song song (P) sang
chống song song (AP) và AP sang P đã được chỉ ra (cả về lý thuyết và thực nghiệm) là
thống kê do dao động nhiệt. Công việc trước đây đã sử dụng tỷ lệ ghi thành công như
một nguồn entropy. Cụ thể, một số kết hợp nhất định của điện áp xung ghi và độ rộng
dẫn đến tỷ lệ ghi thành công là 50%. Trong điều kiện như vậy, trạng thái cuối cùng của
MTJs có thể được coi là một bit ngẫu nhiên. Tuy nhiên, thiết kế này yêu cầu độ phân
giải pico giây của độ rộng xung và điện áp ghi chính xác để đảm bảo MTJ bị sai lệch ở
điểm chính xác 50%, khiến nó quá đắt và phức tạp để triển khai trên chip. Hơn nữa,
ngay cả khi các công cụ bên ngoài chính xác được sử dụng để tạo xung ghi, các bit ngẫu
nhiên được tạo vẫn yêu cầu xử lý sau hoặc phản hồi dựa trên xác suất liên tục để vượt
qua các bài kiểm tra NIST. Ngoài ra, công trình này khám phá thời gian chuyển mạch
của các MTJ dưới dòng ghi thấp (nhỏ hơn 2−3 lần so với giá trị danh nghĩa) như một
nguồn entropy. Điều này giúp tránh nhu cầu kiểm soát chính xác xung ghi và chỉ yêu
cầu các thiết bị ngoại vi MRAM tiêu chuẩn sử dụng MTJ làm TRNG, giảm đáng kể độ
phức tạp và chi phí diện tích của TRNG. Chỉ một khối 180µm2, bao gồm các thiết bị
ngoại vi đọc / ghi, bộ đếm và bộ điều khiển, được thêm vào mỗi cột. Trong thực tế, khu
vực này có thể được phân bổ thêm vì mạch đọc / ghi là cần thiết cho MRAM (~ 70µm2)
và khối này được chia sẻ bởi một cột MTJ.
13
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
Hình 2 (bên trái) cho thấy một mảng MRAM bao gồm việc tạo số ngẫu nhiên.
Tham chiếu dòng điện hệ số nhân β có thể định cấu hình tạo ra dòng đọc / ghi. Việc ghi
AP thành P (ghi “1”) và P thành AP (ghi “0”) yêu cầu các dòng điện khác nhau theo các
hướng ngược nhau, được thực hiện bởi các bộ ghép kênh được điều khiển bởi dữ liệu
đầu vào. Để phát hiện hoàn thành ghi, một bộ so sánh liên tục giám sát điện áp trên
dòng bit (BL). Do dòng điện ghi ngược chiều và điện trở đổi chiều nên điện áp BL luôn
giảm khi ghi xong. Một bộ so sánh nhỏ gọn được thực hiện trong bộ khuếch đại cảm
biến hiện có bằng cách cấu hình lại các cấu trúc liên kết của nó (Hình 2, trên cùng bên
phải). Thời gian hoàn thành ghi được ghi lại bằng cách sử dụng bộ dao động vòng và
bộ đếm không đồng bộ. Một bộ đếm nhanh hơn có thể cung cấp độ phân giải cao hơn
và nhiều bit ngẫu nhiên hơn bằng cách sử dụng cùng một quy trình ghi. Đầu ra của bộ
so sánh đã chốt (tín hiệu STOP trong Hình 2) dừng bộ dao động và dòng ghi sau khi
hoàn thành ghi để tiết kiệm năng lượng. Như được hiển thị trong dạng sóng (Hình 2,
phía dưới bên phải), bộ đếm bắt đầu sau khi dòng từ được xác nhận và BL / SL được
kết nối, trong khi bộ so sánh được bật sau một chút để tránh kích hoạt sai trong quá trình
tích hợp BL giai đoạn. Vì ghi "0" chậm hơn "1" và yêu cầu dòng điện cao hơn, thiết kế
chỉ sử dụng thời gian để ghi "1" làm nguồn entropy để cải thiện thông lượng và hiệu
quả năng lượng. TRNG thực hiện ghi “0” bình thường (nhanh, dòng điện cao) sau mỗi
lần chạy để thiết lập lại MTJ cho chu kỳ tiếp theo.
14
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
3. KỸ THUẬT BỀ MẶT CỦA SOT-MRAM ĐỂ ĐIỀU CHỈNH SỰ
KHUẾCH TÁN NGUYÊN TỬ VÀ CHO PHÉP PMA ỔN ĐỊNH> 400 °C
Cấu trúc Ta/CoFeB/MgO đã được áp dụng rộng rãi trong các magnetic tunnel
junctions (MTJs) vì cả PMA và tunneling magnetoresistance (TMR) đều có thể đạt được
dễ dàng trong cấu trúc này. Tuy nhiên, do khuếch tán Ta-based phát ra ở 400 °C, hiệu
suất cao của cấu trúc dựa trên Ta này không thể được bảo toàn sau quá trình CMOS
BEOL, và do đó, nó không thể được sử dụng để tạo ra bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ
tính mô-men xoắn quay thực tế (SOT-MRAM). Việc thay thế Ta bằng W dẫn đến sự
khuếch tán yếu hơn nhiều và góc Hall spin lớn hơn và do đó đã thu hút được nhiều sự
chú ý trong ngành công nghiệp. Tuy nhiên, việc thiết lập PMA trong các cấu trúc dựa
trên W không dễ dàng như trong các cấu trúc dựa trên Ta, không chỉ do cấu trúc tinh
thể khác nhau giữa chúng, mà còn vì Ta là chất chìm bo tốt trong quá trình ủ sau lắng
đọng.
Trong công việc này, ta sẽ trình bày công việc của mình về việc tối ưu hóa cấu
trúc W / CoFeB / MgO bằng cách điều khiển cả bề mặt W / CoFeB và CoFeB / MgO
để đáp ứng các yêu cầu PMA trong sản xuất công nghiệp. Đầu tiên, bằng cách tối ưu
hóa quá trình oxy hóa tự nhiên của lớp Mg, PMA của cấu trúc dựa trên W cũng có thể
được thiết lập ở trạng thái lắng đọng như trong cấu trúc dựa trên Ta. Quá trình oxy hóa
tự nhiên sau đó được tối ưu hóa hơn nữa để cải thiện PMA sau khi ủ 400 °C. Thứ hai,
giao diện W / CoFeB đã được cải thiện bằng cách đưa vào các lớp bụi khác nhau, chẳng
hạn như FeB, Mg và MgO. Kết quả là, trường dị hướng vuông góc có thể được tăng
cường khoảng 100%, cao hơn nhiều so với trong các cấu trúc dựa trên Ta. Hình ảnh
hiển vi điện tử truyền qua (TEM) khẳng định thêm vai trò của cấu trúc tinh thể và sự
khuếch tán nguyên tử đối với việc thành lập PMA. Thứ ba, hiệu suất chuyển mạch SOT
tương ứng và các trường hiệu dụng do dòng điện gây ra cũng được tối ưu hóa bằng cách
sửa đổi cả hai giao diện.
15
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
Các cấu trúc W/CoFeB/MgO được lắng đọng bởi một hệ thống phun các
magnetron 8-gun với áp suất cơ bản dưới 1,6 × 10-8 Torr. Các mẫu lắng đọng sau đó
được ủ trong Hệ thống xử lý nhiệt nhanh All-Win 610 ở 400 °C trong 30 phút. Cuối
cùng, các mẫu được tạo mẫu thành cấu trúc thanh Hall với chiều rộng 5 µm để đo PMA
và chuyển mạch SOT (Hình 1) Hiệu suất SOT được ước tính bằng cách đo một từ trường
vuông góc bổ sung do dòng điện gây ra (Hzeff, như trong Hình. 2 và Hình 3). Để đo
chuyển mạch SOT, trước tiên áp dụng xung dòng chuyển mạch lớn (1 ms) và sau đó áp
dụng dòng điện một chiều cảm nhận nhỏ (50 µA) để phát hiện hướng chuyển mạch từ
hóa thông qua hiệu ứng Hall bất thường.
Hình 4,5,6 cho thấy cấu trúc mẫu và các phép đo PMA tương ứng ở trạng thái
lắng đọng và sau khi ủ. Điều kiện oxy hóa tốt nhất cho các mẫu lắng đọng là khi tMg =
0,7 nm, dẫn đến nồng độ oxy thích hợp tại bề mặt phân cách Mg / CoFeB để thiết lập
PMA. Tuy nhiên, sau khi ủ, tMg = 0,7 nm, lớp Mg dày hơn 0,4 nm, trở thành điều kiện
oxy hóa.
16
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
Hình 7 và Hình 8 cho thấy minh họa của các lớp bụi và PMA đo được với các
lớp bụi khác nhau, tương ứng. Nó cho thấy rằng các lớp chèn FeB và Mg tại giao diện
W / CoFeB có thể nâng cao PMA trong khi các lớp chèn MgO và Co dập tắt PMA.
Hình 9 cho thấy trích xuất trường hiệu dụng vuông góc (Hk) điển hình bằng mô
hình Stoner. Hình 10 cho thấy các đường cong chuyển mạch SOT cảm ứng dòng điện
điển hình và định nghĩa của dòng cắt SOT tới hạn (Ic).
17
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
Hình 11 cho thấy sự so sánh giữa hiệu suất SOT và dòng chuyển mạch dưới các
lớp bụi khác nhau. Như chúng ta mong đợi, người ta có thể thấy rằng hiệu suất SOT cao
hơn tương ứng với dòng chuyển mạch nhỏ hơn. Đối với lớp chèn MgO, hiệu quả chuyển
mạch SOT cao nhất đạt được. Như thể hiện trong Hình 8, một kết quả đáng ngạc nhiên
là việc áp dụng giao diện FeB siêu mỏng trong ngăn xếp W / CoFeB / MgO SOT đã
được chứng minh là góp phần vào sự ổn định nhiệt của nó lên đến 400 ◦C, những tác
động như vậy chưa bao giờ được quan sát và báo cáo trong tài liệu [1-3]. Phân tích hồ
sơ dòng TEM và EDX mặt cắt ngang cũng chỉ ra rằng lớp giao diện FeB mới ngăn chặn
sự khuếch tán lẫn nhau của Co, Fe vào kênh W sau khi ủ 400 C, được coi là cơ chế
chính để cho phép PMA quan sát được tốt hơn, như thể hiện trong Hình 12 và Hình 13.
4. THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU AREA-EFFICIENT SOT-MRAM
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính mô-men xoắn quỹ đạo quay (SOT-MRAM)
đã thu hút rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu vì nó hứa hẹn sẽ khắc phục được những tắc
nghẽn về tốc độ ghi và năng lượng của STT-MRAM thông thường. Tuy nhiên, mật độ
tế bào của SOT-MRAM bị hạn chế do có nhiều bóng bán dẫn truy cập hơn. Trong công
trình này, ta sẽ trình bày kiến trúc giống NAND cho SOT-MRAM với một transistor
duy nhất và một số điốt, cũng như một thiết kế mảng thích ứng mới dựa trên cấu trúc tế
bào được đề xuất. So với SOT-MRAM tiêu chuẩn, SOT-MRAM được đề xuất đạt được
sự cải thiện đáng kể về mật độ tế bào bằng cách chia sẻ bóng bán dẫn, đồng thời đạt
được tốc độ ghi tương đương. Chi phí năng lượng ghi có thể được bù đắp bằng chính
sách ghi được thiết kế tốt
18
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
Trong bài báo này, có đề xuất một SOT-MRAM tiết kiệm diện tích bằng cách sử
dụng cấu trúc ô NAND-Like 4D1T. Mảng bộ nhớ và mạch ngoại vi cũng được thiết kế
để tối ưu hóa hiệu suất tổng thể.
Cấu trúc cell 4-bit được thể hiện trong Hình 1 (b), bao gồm bốn điốt, bốn MTJ
và một transistor, chúng ta gọi là cấu trúc tế bào 4D1T (4-diode-1-transistor). Bốn MTJ
được chế tạo bên trên cùng một kim loại nặng để tạo thành cấu trúc giống NAND. Trong
quá trình đọc, dòng điện một chiều chạy qua mỗi MTJ và diode được kết nối, để cảm
nhận trạng thái điện trở. Để thực hiện thao tác ghi, transistor được kích hoạt để một
dòng điện được đưa vào kim loại nặng. Tính phân cực của dữ liệu được viết phụ thuộc
vào hướng của dòng điện ghi. Mặc dù dòng điện ghi được chia sẻ bởi bốn MTJ, ta đặt
bốn ngưỡng dòng điện khác nhau bằng cách tạo hình kim loại nặng thành một hình dạng
đặc biệt (xem Hình 1 (b)) để xác định MTJ nào được viết. Như thể hiện trong Hình 1
(b), chiều rộng của kim loại nặng tăng lên một cách rõ ràng từ bên phải sang bên trái.
Do đó, mật độ hiện tại của MTJ bên trái nhỏ hơn so với MTJ bên phải, có nghĩa là MTJ
bên trái khó chuyển đổi hơn. Dòng điện lớn nhất có thể chuyển đổi tất cả bốn MTJ,
trong khi dòng điện nhỏ nhất chỉ chuyển đổi MTJ3 bên phải. Theo cách này, không cần
nhiều hơn bốn thao tác ghi để ghi dữ liệu 4 bit. Hơn nữa, nếu các MTJ liền kề cần được
ghi với cùng một dữ liệu, thì chỉ yêu cầu dòng điện cao hơn được áp dụng một lần, loại
bỏ hoạt động dư thừa và bù lại chi phí năng lượng
Mật độ cell chủ yếu được xác định bởi kích thước của các transistor truy cập và
điốt, vì thiết bị MTJ có thể được chế tạo phía trên phần CMOS thông qua quy trình
BEOL. Trong cấu trúc tế bào được đề xuất, chỉ có một transistor được chia sẻ 4-bit và
do đó có thể đạt được mật độ tế bào cao hơn
19
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
Mảng bộ nhớ SOT-MRAM 2 × 4 dựa trên cấu trúc ô được đề xuất được hiển thị
trong Hình 2, trong đó các cột được chọn bởi BL trong khi các hàng được chọn bởi SL
và / SL. Mỗi hàng có thể được truy cập độc lập mà không cần dòng điện lén nhờ điốt
phân cực ngược.
Chế độ đọc-ghi: Các mạch ghi tổng thể được thể hiện trong Hình 3 (a). Các bóng
bán dẫn P0 ~ P7 được sử dụng để điều chỉnh dòng điện trong khi N0 và N1 được sử
dụng để điều khiển hướng dòng điện. Các transistor P8 và P9 được sử dụng để loại bỏ
thao tác ghi dư thừa. Mạch liên quan dựa trên các bộ kích hoạt được hiển thị trong Hình
3 (b). Trong khi tín hiệu cho phép ‘WEN’ được khẳng định, hoạt động ghi chỉ được
thực hiện khi cần ghi MTJ0 hoặc khi dữ liệu được ghi khác với bit trước đó. Các mạch
ghi được đề xuất có thể được chia sẻ bởi nhiều cột, do đó chi phí diện tích của chúng là
phi vật chất và có tác động không đáng kể đến mật độ cell.
20
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
Đối với các hoạt động đọc, chúng tôi áp dụng một mạch sense hai giai đoạn được
sử dụng rộng rãi như trong Hình 4. Giai đoạn đầu tiên được hiển thị ở phần bên phải
của hình so sánh dòng điện sense của ô nhớ với ô tham chiếu, tạo ra điện áp sense. Giai
đoạn thứ hai được hiển thị trong phần bên trái khuếch đại sự khác biệt điện áp để tạo ra
tín hiệu xoay hoàn toàn.
21
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
III.
CÁC CÔNG NGHỆ, TIẾN BỘ MỚI CỦA MRAM GẦN ĐÂY
Vào tháng 10 năm 2018, Intel tiết lộ rằng họ đang phát triển MRAM nhúng - và
công ty đã tích hợp thành công MRAM nhúng vào công nghệ FinFET CMOS 22nm
trên các tấm wafer 300mm đầy đủ.
Bây giờ Intel đã cung cấp thêm chi tiết về STT-MRAM nhúng của mình và nói rằng
công nghệ này đã sẵn sàng cho sản xuất khối lượng lớn. Intel cho biết họ đã sử dụng sơ
đồ "write-verify-write" và kỹ thuật cảm biến dòng điện hai giai đoạn để tạo ra các mảng
STT-MRAM vuông góc 7Mb trong quy trình FinFET 22FFL.
Vào năm 2019, Tại Đại học Tohoku đã trình diễn một tế bào bộ nhớ MRAM mômen xoắn quỹ đạo quay tốc độ cao (SOT-MRAM) tương thích với công nghệ Si CMOS
300 mm.
Thiết bị SOT đạt được chuyển mạch tốc độ cao (xuống còn 0,35 ns) và hệ số ổn định
nhiệt cao (E / kBT 70) mà các nhà nghiên cứu cho biết là đủ cho các ứng dụng bộ nhớ
không bay hơi tốc độ cao. Thiết bị có thể chịu được ủ ở 400 ° C. Các nhà nghiên cứu
đã sử dụng các thiết bị này để tạo ra một tế bào bộ nhớ SOT-MRAM hoàn chỉnh.
Trong SOT-MRAM, hoặc mô-men xoắn quỹ đạo quay MRAM, việc chuyển đổi lớp từ
tính tự do được thực hiện bằng cách tiêm dòng điện trong mặt phẳng trong một lớp SOT
liền kề, không giống như STT-MRAM, nơi dòng điện được tiêm vuông góc vào ngã ba
đường hầm từ tính và hoạt động đọc và ghi được thực hiện thông qua cùng một đường
22
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
dẫn. SOT-MRAM hứa hẹn sẽ nhanh hơn, dày đặc hơn và hiệu quả hơn. Năm 2018, các
nhà nghiên cứu từ Imec đã chế tạo các thiết bị SOT-MRAM trên tấm wafer 300mm
bằng cách sử dụng các quy trình tương thích CMOS, lần đầu tiên.
Samsung tuyên bố rằng họ đã bắt đầu sản xuất hàng loạt MRAM nhúng đầu tiên của
mình, được thực hiện bằng quy trình FD-SOI 28nm của công ty. Samsung nói rằng môđun bộ nhớ eMRAM của họ cung cấp hiệu suất và độ bền cao hơn khi so sánh với eFlash
và có thể được tích hợp vào các chip hiện có.
Samsung cho biết rằng eMRAM của họ nhanh hơn 1.000 lần so với bộ nhớ eFlash và
nó không yêu cầu xóa chu kỳ trước khi ghi dữ liệu (không giống như bộ nhớ Flash).
Điện áp được sử dụng cũng thấp hơn - và tổng cộng eMRAM tiêu thụ 1/400 năng lượng
so với eFlash cho quá trình viết. Tuy nhiên, dung lượng MRAM của Samsung thấp hơn
đèn flash 3D Xpoint, DRAM và NAND.
Vào năm 2020, GlobalFoundries thông báo rằng họ đã cung cấp eMRAM sẵn
sàng sản xuất đầu tiên trên nền tảng 22FDX cho các ứng dụng IoT và ô tô. Công ty nói
rằng eMRAM tiên tiến của họ cung cấp một "giải pháp hiệu quả về chi phí cho các ứng
dụng lưu trữ dữ liệu và mã công suất thấp, không bay hơi".
23
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
GF cho biết họ đã đi vào sản xuất và đang làm việc với một số khách hàng với nhiều
băng sản xuất dự kiến vào năm 2020. eMRAM của GF được thiết kế thay thế cho đèn
flash NOR nhúng khối lượng lớn (eFLASH). GF nói rằng eMRAM của họ đã vượt qua
năm bài kiểm tra reflow hàn trong thế giới thực nghiêm ngặt và đã chứng minh độ bền
100.000 chu kỳ và lưu giữ dữ liệu 10 năm trên phạm vi nhiệt độ -40 ° C đến 125 ° C.
Giải pháp FDX eMRAM hỗ trợ thiết kế lớp 2 chất lượng AEC-Q100, với sự phát triển
trong quá trình hỗ trợ giải pháp lớp 1 chất lượng AEC-Q100 vào năm tới.
GF hiện đang cung cấp các bộ thiết kế tùy chỉnh với macro MRAM được xác nhận bằng
silicon từ 4 đến 48 mega-bit, cùng với tùy chọn hỗ trợ tự kiểm tra MRAM. GF đang hỗ
trợ eMRAM tại dây chuyền sản xuất 300 mm tại Fab 1 ở Dresden, Đức. Công nghệ
eMRAM của GF được cấp phép từ Everspin.
Vào năm 2021, trong một bài thuyết trình trong Persistent Memory Summit, một
slide mới từ TSMC đã được hiển thị mô tả lộ trình eMRAM của công ty:
24
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
Như chúng ta đã biết, TSMC đang chọn eMRAM 22nm như một giải pháp thay thế
eFlash. Công ty cũng đang tìm cách phát triển eMRAM 14/12 nm để thay thế bộ nhớ
SRAM (điều này rất thú vị như trước khi tiết lộ rằng công ty đang phát triển MRAM
16nm). Cuối cùng eMRAM được quảng cáo là một sự thay thế cho bộ nhớ cấu hình
(eFUSE / OTP / Flash).
25
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
IV.
KẾT LUẬN
MRAM là bộ nhớ không linh hoạt tốc độ cao có thể cung cấp các giải pháp độc
đáo giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống trong nhiều lĩnh vực bao gồm lưu trữ
dữ liệu, điều khiển công nghiệp, mạng và các giải pháp khác. Một loạt các khám phá và
đổi mới khoa học đã kích thích sự tiến bộ trong công nghệ MRAM và đầu tư thương
mại trên toàn thế giới kể từ cuối những năm 1990. Đây là phương pháp ghi trạng thái
từ tính của thiết bị lưu trữ để phân biệt thế hệ công nghệ này với thế hệ công nghệ khác.
Mỗi thế hệ mới đều có tiềm năng cho mật độ bộ nhớ cao hơn nhiều và hoạt động tiêu
thụ điện năng thấp hơn.
Những thách thức trong việc phát triển STT-MRAM khả thi về mặt thương mại
bao gồm việc đạt được đồng thời các thông số thiết bị MTJ chính nhất định, cũng như
hiểu và kiểm soát chi tiết các phân phối bit-to-bit trong mảng bộ nhớ. Các ví dụ bao
gồm: điều chỉnh dòng điện tới hạn để chuyển mạch (Ic) trong khi vẫn duy trì rào cản
năng lượng đối với sự đảo ngược nhiệt (Eb) trong các thiết bị nhỏ hơn bao giờ hết, điều
khiển việc chuyển mạch cho Eb cao và phân phối chặt chẽ, và tách phân phối điện áp
tới hạn (Vc) khỏi sự cố phân phối điện áp (Vbd). Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tiếp
tục khám phá các hiệu ứng mới có thể được sử dụng để chuyển đổi trạng thái từ tính
của các thiết bị MTJ với hy vọng xác định thế hệ thứ ba của MRAM
26
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Tiểu luận cuối kì: Thiết kế Vi mạch số
V.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Wikipedia, Magnetoresistive RAM
- "Everspin starts to ship customer samples of its 28nm 1Gb STT-MRAM chips |
MRAM-Info". www.mram-info.com. Retrieved 2019-12-03.
- "Samsung Says It's Shipping 28-nm Embedded MRAM". EE Times.
- Admin (2018-08-06). "UMC and Avalanche Technology Partner for MRAM
Development and 28nm Production". Avalanche Technology. Retrieved 2020-08-22.
- Admin (2020-12-15). "IBM to reveal the world's first 14nm STT-MRAM node".
Retrieved 2020-12-17.
- "TSMC shows its eMRAM technology roadmap | MRAM-Info". www.mraminfo.com. Retrieved 2021-05-16.
- Các bài báo liên quan:
+ Design and Optimization of an Area-efficient SOT-MRAM
+ Interfacial engineering of SOT-MRAM to modulate atomic diffusion and enable
PMA stability >400 ◦C
+ A 28nm Integrated True Random Number Generator Harvesting Entropy from
MRAM
+ Recent Progress and Next Directions for Embedded MRAM Technology
27