Pokud trochu sledujete problematiku SSD a elektronických úložišť a nevolatilních pamětí, pak asi víte, že nyní použitá technologie pamětí NNAD má spoustu nectností, z nichž asi nejdramatičtější je to, že přepsání buněk ji poměrně rychle opotřebovává. Ale ideální není ani její výkon. Jako její první reálně použitelná náhrada se objevily paměti 3D XPoint od Intelu (na bázi technologie Phase-Change RAM), dost se očekává i od NRAM, která ale ještě není používána v praxi. Je ale ještě jedna alternativní technologie, která už má za sebou několikaleté ověření v praxi: MRAM. A tyto paměti nyní začal vyrábět jeden z největších polovodičových gigantů (na tržby vůbec největší), a sice Samsung.
Magnetorezistivní paměť v masové výrobě
MRAM znamená magnetorezistivní paměť, nebo také Magnetic RAM (Random Access Memory). Samsung nyní oznámil, že spustil masovou výrobu těchto pamětí pro embedded použití, označených eMRAM. MRAM jako princip ukládání dat používá elektrický odpor, který je ale na čipu vytvořen (čímž probíhá zápis) feromagnetickými vrstvami. MRAM umožňuje plnohodnotný náhodný přístup jak klasická operační paměť DRAM, ale je nevolatilní. Udrží tedy data i po odpojení napájení a může sloužit jako trvalé úložiště ve stylu NAND Flash. Zároveň by také měla mít mnohokrát lepší zapisovací životnost než NAND, i když se zatím nemluví o tom, že by výdrž dosahovala „prakticky neomezené“ úrovně jako DRAM.
Podle Samsungu je MRAM proti NAND Flash až tisíckrát rychlejší při zápisu – ten totiž probíhá okamžitě, není třeba před ním bloky nejdřív vymazávat jako u NAND. Zároveň má být tato paměť úspornější než DRAM. Nevyžaduje totiž periodické obnovování (napájení) pro udržení obsahu, a kromě toho jí pro práci také stačí nižší napětí než u Flash. Pro zápis potřebuje údajně eMRAM 400× méně energie než srovnatelná embedded Flash.
MRAM je složena ze dvou feromagnetických filmů, u nichž lze měnit orientaci magnetického pole. Změna pole se projevuje jako změna elektrického odporu, což je použito ke k zakódování uložených dat
Orientaci magnetických polí ovládá tenký film Magnetic Tunnel Junction ( MTJ) mezi nimiPaměť integrovatelná do logických čipů
Samsung vyrábí eMRAM na svém 28nm výrobním procesu s technologií FD-SOI (28FDS). To je důležitý detail, protože se nejedná o paměťový výrobní proces, ale o proces pro výrobu logických čipů jako jsou procesory, řadiče a podobně. To předurčuje eMRAM k aplikacím, kdy bude integrovaná jako nevolatilní (permanentní) paměť či zároveň úložiště přímo na nějaký čip.
Podle Samsungu by integrace eMRAM do návrhu měla spočívat hlavně ze změn v „BEOL“ části čipu, tedy v kovových vrstvách. K normálním maskám údajně stačí přidat tři nové pro vytvoření struktur vyžadovaných MRAM. Díky tomu má být relativně dobře možné technologii přenést i do dalších výrobních procesů – v budoucnu se počítá s 18nm FD-SOI (18FDS) a neupřesněným FinFETovým procesem. Na 28FDS verzi eMRAM používá Samsung některé speciality procesu, například body-bias control, která omezí úniky proudu.
MRAM lze integrovat v rámci kovových vrstev běžného logického procesu, stačí tři masky navícTypicky by čipy s integrovanou eMRAM mohly pohánět nějaké embedded nebo IoT zařízení, hodinky, nebo zařízení někde „mimo civilizaci“. Takové zařízení by mohlo MRAM používat zároveň jako úložiště i pracovní paměť a využít toho, že MRAM nepotřebuje periodické obnovování a stojí tedy v provozu méně elektřiny. Kromě aplikací jako jsou mikrořadiče by ale Samsung pro eMRAM rád našel uplatnění i v aplikacích umělé inteligence. A jak jsme viděli u IBM, MRAM by mohla sloužit i jako cache pro běžná SSD založená na NAND.
Nevolatilní paměť eMRAM od Samsungu na 28nm FD-SOI procesuZe začátku se eMRAM bude asi uplatňovat vždy v malých kapacitách pro potřeby oněch IoT a embedded zařízení. Ovšem eventuálně se zřejmě tato technologie má dočkat širšího použití. Samsung uvádí, že plánuje implementace s vyšším výkonem a patrně i kapacitou, založené na standardu NVMe, i když by se asi pořád jednalo embedded zařízení. Letos má firma provést tape-out pokusných čipů eMRAM s kapacitou teprve 1 Gb (128 MB). To asi dává představu o tom, v jakých relacích se bavíme – NAND se už vyrábí v kapacitě tisícinásobné.
MRAM tedy zatím nebude mít dost velkou kapacitu, aby se s z ní dalo složit regulérní SSD (pro taková nasazení se asi vždy budou používat paměti specializované a nikoliv vyráběné na logickém procesu). Mohla by ale jak už bylo řečeno posloužit třeba jako jeho nevolatilní cache. Takové SSD by mělo tu výhodu, že by bylo odolné proti výpadku napájení.
Galerie: Nevolatilní paměť eMRAM od Samsungu na 28nm FD-SOI procesu
MRAM má také Intel a GlobalFoundries
Samsung jinak není jediná firma, která paměti MRAM hodlá v podobné podobě vyrábět. Licenci má také GlobalFoundries, která klientům nabízí možnost integrovat tuto paměť do FD-SOI čipů (v jeho případě na procesu 22FDX). A mezi její výrobce se zařadil také Intel. Ten letos oznámil dostupnost technologie Embedded STT-MRAM pro návrh čipů na svém speciálním 22nm procesu 22FFL (což není standardní technologie použitá v CPU Ivy Bridge a Haswell, ale nový proces vyvinutý pro potřeby foundry zákazníků). Intel o své eMRAM uvádí, že má včetně ECC hustotu asi 10,6 Megabitu na jeden mm² a měla by vydržet víc než milion zapisovacích cyklů. Zda Intel možnost vyrábět eMRAM nabízí jen svým foundry klientům, nebo ji aplikuje i do nějakých svých vlastních produktů, to bohužel zatím nevíme. I Samsung by jinak měl eMRAM nabízet externím zákazníkům v rámci svého Foundry byznysu.
