MRAM trifft auf Embedded

Von Dave Lammers

Nun, da der magnetoresistive Direktzugriffsspeicher (MRAM) nach mehr als zwei Jahrzehnten Entwicklungsarbeit den Punkt erreicht hat, an dem er in größerem Umfang eingesetzt werden kann, stellt sich die Frage: Wie werden die Entwickler ihn einsetzen? Wie wird MRAM in den vernetzten Systemen in den Bereichen Mobilfunk, Automobil und IoT zum Tragen kommen? Der MRAM-Pionier Everspin Technologies (Chandler, Ariz.) hat in den letzten zwei Jahren diskrete MRAMs von GF ausgeliefert, vor allem für den Markt der Cache-Pufferung, so der Analyst Tom Coughlin. Mit Geschwindigkeiten, die mit denen von DRAMs konkurrieren können, und einer im Grunde unbegrenzten Datenspeicherung ist MRAM laut Coughlin "der beste Kandidat, um bestehende nichtflüchtige Speicher in Computerarchitekturen zu ersetzen."

Computer Architecture graphic

Drone Graphic

Mobile devices and other systems often have large amounts of SRAM, Coughlin said, and must use time and energy to preserve the memory state when the power is turned off, or a system gets hung up. Because MRAM can be turned off and on with virtually no additional power consumption, system designers can do much more power cycling, turning power off to conserve battery life. There is no energy penalty when a normally-off system comes back to life. “For mobile devices, MRAM enables a lot more power-saving modes, which can help battery-powered systems,” Coughlin said. MRAM’s power-saving capabilities are somewhat surprising, because the early knock on MRAM was that it consumed a lot of power. Over the past 25 years the technology has gone from a thermally-assisted, sandwich-layer MRAM to a perpendicular magnetic tunnel junction, spin-transfer (pMTJ ST-MRAM) architecture. Back to the question: Where does MRAM fit? First, think about how fast the electronics industry is changing and where the opportunities are. New product categories such as augmented reality systems, assisted driving vehicles, drones, and a panoply of IoT technologies, are right in front of us. Dave Eggleston, the vice president of embedded memory at GLOBALFOUNDRIES, points out that most of these new systems depend on fast visual image processing. A car must process image data in real time to avoid a crash, requiring visual image processors and fast memories. “A drone is a great example of where you need lighter weight, and where more energy-efficient circuitry results in longer fly times. How does a drone navigate? By pulling in 3D maps. It has its own vision system, with stored information on topography, to hash real-time information,” Eggleston said. With MRAM, it is possible to trot out some impressive characteristics: 1000x more endurance and 1000x faster write speeds than eFlash; more dense and versatile than SRAM, and an ability to integrate into a CMOS logic process without disturbing the logic transistors. Also, embedded MRAM (eMRAM) is a low-mask-count technology, requiring only four additional mask layers compared with a dozen or more for eFlash at advanced nodes. Early on, Eggleston didn’t envision MRAM being immediately suitable to embedded applications. “I’m not sure I would have told you that ten years ago. But because the magnetic junctions are built in the back end of the line, and are easier to integrate in a logic process, the embedded applications make sense,” he said.

MRAM als Arbeitsspeicher

Die Vorstellung, dass eMRAM einfach nur etwas anderes ersetzt, ist wahrscheinlich nicht die beste Art, darüber nachzudenken, insbesondere bei den fortschrittlichen SoCs, die für aufstrebende Märkte benötigt werden. Es eröffnet neue Möglichkeiten bei den Arbeitsspeichern für mobile, IoT-, Automobil- und andere vernetzte Anwendungen, so Eggleston. Bei einem komplexen Chip mit beispielsweise vier Grafikverarbeitungseinheiten und einer visuellen Verarbeitungseinheit könnte ein MRAM-Modul den Code und ein anderer Block eMRAM die Daten speichern. "Durch die Speicherung von Daten in einem nichtflüchtigen Medium wird man SRAM nicht los, weil eMRAM nicht so schnell ist, aber man kann die Menge an SRAM verringern und eMRAM als SRAM-ähnlichen Speicher verwenden. Das macht das Design kosteneffektiv, weil eMRAM dichter ist als SRAM. Man erhält mehr Daten für eine kleinere Chipgröße", so Eggleston. Software- und SoC-Designer werden neue Fähigkeiten erlernen, indem sie die "Persistenz"-Eigenschaften (Datenerhaltung) von eMRAM nutzen. Die Kosten- und Leistungsvorteile von eMRAM sind laut Eggleston die Voraussetzungen dafür, dass eMRAM zu einer glaubwürdigen Alternative zu eFlash wird. Aber erst die neuen Möglichkeiten, die eMRAM bietet, werden die Systementwickler zu der Frage verleiten: "Wie kann ich es in meiner Chip-Architektur einsetzen? Coughlin, der früher im Technologiemanagement mehrerer Festplattenunternehmen tätig war, sagte, MRAM habe "definitiv eine Nische, in der es einige DRAM- und SRAM-Speicher ersetzen kann. Es könnte NOR ersetzen. Was wir sehen, ist fast eine kambrische Explosion im Speicherbereich, bei der NAND-Flash weiterhin für Massenspeicher verwendet wird, während wir eine andere Speicherebene sehen, bei der MRAM oder der Intel-Micron-Phasenwechsel-Speicher in einigen Anwendungen eingesetzt wird." Da neue Anwendungen eine höhere Leistung erfordern und IoT-Systeme viel mehr Daten generieren, werden Systementwickler mehrere Speicherschichten verwenden. SRAM und DRAM werden durch neue Schichten von Phasenwechsel- oder Widerstandsspeichern und NAND ergänzt werden, so Coughlin. "Es wird eine sehr interessante Zeit sein, und wir werden sehen, wie sich das alles entwickelt. Ich glaube, dass MRAM eine solide Basis hat, um Teil dieser Menagerie zu sein", sagte er.

22FDX® eMRAM

Eggleston sagte, dass GF den eingebetteten Flash-Speicher weiter ausbauen wird, aber GF plant, eMRAM mit einer anderen Technologie zu kombinieren, die Vorteile bei der Maskenzahl hat: die 22FDX-Plattform auf Basis von vollständig verarmtem SOI. Die 22FDX-basierten Produkte werden ab 2017 auf den Markt kommen, und eMRAM wird laut Eggleston im darauf folgenden Jahr verfügbar sein. Dieser Zeitplan steht im Gegensatz zu den üblichen vier oder fünf Jahren, die es dauert, NVM auf eine neue Logiktechnologie zu bringen. "Für Kunden, die eingebetteten Speicher benötigen, ist es ein großer Gewinn, eMRAM so kurz nach der ( 22FDX- )Logikeinführung auf den Markt zu bringen. Mit eMRAM müssen die Kunden ihre Designs nicht neu charakterisieren, da eMRAM eine Erweiterung der Plattform ist und nicht eine eigene Plattform", sagte er. Da eMRAM die zugrundeliegenden Transistoren nicht verschiebt, können Entwickler effizient ein 22FDX-basiertes SoC mit integriertem eMRAM bauen, das mit einer Logikspannung läuft. "eMRAM ist unkompliziert, lässt sich unglaublich gut integrieren und läuft mit einer Logikspannung", sagte er.

Erfahrung in der Fertigung

Andere Unternehmen haben öffentlich auf ihre eigenen MRAM-Entwicklungsprogramme hingewiesen. Coughlin merkte an, dass Everspin, das früher CMOS-Logik-Wafer nahm und sein MRAM am hinteren Ende der Linie anbrachte, jetzt mit GF als vollständigem Fertigungspartner zusammenarbeitet. Die von Everspin verkauften diskreten MRAMs mit einer Dichte von 256 Mbit und bald auch 1 Gigabit werden von GF hergestellt. Coughlin schätzt, dass Everspin bisher etwa 60 Millionen diskrete MRAMs verkauft hat.

Quelle: Everspin, MRAM-Führung über drei Generationen

Quelle: Everspin, MRAM-Führung über drei Generationen

Die jahrelange Produktionserfahrung, die GF durch die Zusammenarbeit mit Everspin gewonnen hat, hat zu wichtigen Erkenntnissen in den Bereichen Abscheidung, Ätzung, Messtechnik und anderen Produktionsprozessen geführt, die für die mehrschichtigen Magnetstapel in MRAMs einzigartig sind. Coughlin sagte, dass die Produktions- und Technologiepartnerschaft mit Everspin GF einen Vorsprung im Bereich eMRAM verschafft hat. "Ich denke, es ist eine sehr wichtige Pionierarbeit. Sie hat den Partnern einen Vorsprung bei den tatsächlichen Produkten verschafft, aber sie müssen fleißig sein, um ihren Vorsprung zu halten", sagte Coughlin. Eggleston sagte, dass die Spin-Transfer-MRAM-Arbeit zwischen GF und Everspin in den vergangenen zwei Jahren, in denen die Wafer in Betrieb waren, eine Menge Lernzyklen" ermöglicht hat. "Wenn wir mit 22FDX eMRAM in Produktion gehen, werden wir bereits seit vier Jahren MRAM herstellen. Das beschleunigt definitiv die Markteinführung unserer Embedded-Lösung", sagte er.