Энергоэффективность MRAM улучшили на два порядка

Типичная ячейка магниторезистивной памяти (MRAM) состоит из двух эллиптических магнитов, разделенных слоем изолятора. Каждый из магнитов имеет два стабильных состояния полярности. В случае если векторы намагниченности у них сонаправлены, сопротивление ячейки мало и соответствует двоичному «0». Разворот магнитной поляризации одного из магнитов на 180º приводит к росту сопротивления и переключению бита в состояние «1». Обычно, перезапись ячейки памяти производится путем изменения полярности только одного, так называемого «мягкого» магнита, намагниченность же «твердого» всегда остается постоянной.

Уже давно известно, что вращение полярности магнита посредством упругого напряжения, генерируемого разностью электрических потенциалов, рассеивает гораздо меньше энергии, чем любой другой метод перемагничивания. Проблема этой технологии в том, что она не позволяет поворачивать вектор намагниченности более чем на 90º, т.е. переключение между стабильными состояниями магнитной памяти с ее помощью до сих пор было невозможно.

В новой статье исследователи предложили схему, при которой «мягкий» магнит установлен на пьезоэлектрической пленке толщиной 100 нм, между двумя парами электродов. Приложение разности потенциалов между одной парой электродов и землей создает двухосную нагрузку в пьезоматериале и разворачивает вектор намагниченности «мягкого» магнита на большой угол. Затем задействуется вторая пара электродов, что увеличивает угол разворота, который после отключения напряжения составляет 180º.

Выполненное моделирование показало, что такая схема имеет очень низкую вероятность сбоев — менее одного на миллион переключений — и высокое быстродействие: этот миллион переключений занимает лишь 1,36 нс. При использовании многих циклов чтения/записи для снижения вероятности ошибок до 10 в 20-й степени общее время записи возрастает до 5,44 нс.

Но наиболее значительным преимуществом такой памяти является ее энергоэффективность. По сравнению с наиболее перспективной на сегодняшний день технологией энергонезависимой магниторезистивной памяти STT (spin-transfer-torque memory) ее расход энергии на цикл записи как минимум на два порядка меньше. Избыточное рассеивание тепла создает горячие зоны внутри ячейки, что ведет к ее выходу из строя, и является фактором, ограничивающим рост плотности записи магнитной памяти. Технологии же теплоотвода, как указывают авторы исследования, прогрессируют очень медленно.

Коллектив из Virginia Commonwealth University (штат Вирджиния), рассказавший об этом достижении в недавнем номере Applied Physics Letters, планирует в ближайшее время, заручившись поддержкой промышленных партнеров, приступить к изготовлению экспериментального образца нового элемента памяти.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365