MagRAM: последует ли магнитная буря?

Андрей Борзенко

Мало кто сегодня, разумеется, кроме специалистов, хорошо разбирается в многочисленных типах и видах памяти. Максимум, на что хватает терпения, так это понять разницу между статической, динамической, электрически перепрограммируемой и флэш-памятью. Возникает вполне закономерный вопрос: а зачем их столько? Впрочем, ответ на него довольно прост. Дело в том, что разные типы или виды памяти в большинстве случаев, к сожалению, не взаимозаменяемы. Все они различаются по быстродействию, потребляемой мощности, стоимости и ряду других, часто не менее важных, параметров. Определенный тип памяти по одной или нескольким характеристикам может быть предпочтительным для одних приложений, но совсем не подходить для других.

В результате производители электронного оборудования вынуждены использовать в своей продукции широкую номенклатуру запоминающих устройств. Если для динамической памяти главное - цена и емкость, то для статической определяющим параметром является быстродействие. Поиск универсального решения для запоминающих устройств занимает сегодня ученых, наверное, не меньше, чем в свое время алхимиков - поиски философского камня.

Неужели свершилось?

Недавно корпорация Micromem Technology (http://www.micromeminc.com) сообщила о том, что созданные 8-разрядные образцы нового типа памяти MagRAM (MAGnetic RAM) прошли успешное тестирование в исследовательском центре Университета штата Юта в Солт-Лейк-Сити. Теперь есть все основания полагать, что магнитная память станет реальностью уже в начале следующего тысячелетия.

MagRAM объединяет в себе быстродействие динамической памяти DRAM с преимуществами магнитных запоминающих устройств (сохранение информации без потребления энергии). Кроме того, она свободна от одного из основных недостатков этого типа памяти - необходимости периодического обновления хранимой информации (refresh).

По мнению экспертов из корпорации Semico Research, MagRAM может стать достойным преемником обычной динамической памяти. Действительно, в случае использования нового типа памяти, данные в компьютерах при отключении энергоснабжения не пропадут, даже при отсутствии источника бесперебойного питания. Больше не потребуется процесс перезагрузки ОС, который необходим при каждом включении устройства. В портативных ПК можно будет позабыть о технологиях типа Suspend To Disk, когда содержимое оперативной памяти сохраняется на жестком диске. Сотовые телефоны и коммуникаторы смогут хранить огромное количество информации, причем это никак не скажется на сроке автономной работы их аккумуляторов или гальванических элементов. По некоторым прогнозам, число пользователей сотовых телефонов к 2000 г. возрастет до 200 млн. человек.

MagRAM предполагается использовать в пейджерах, портативных и карманных ПК, автомобильной электронике и персональных цифровых секретарях (PDA), диагностическом и медицинском оборудовании, в общем, везде, где требуется быстрый доступ к информации, которая не должна быть потеряна в случае отключения электропитания. Впрочем, в стороне не останутся и другие области применения. Например, MagRAM можно будет использовать в видеомагнитофонах, микроволновых печах, калькуляторах, цифровых часах и т. п. По словам представителей корпорации Micromem Technology, к достоинствам нового типа памяти относятся: малое энергопотребление, низкая стоимость и высокая плотность элементов (ячеек хранения). Более того, разработчики утверждают, что технологический процесс производства MagRAM проще и дешевле, чем DRAM, а кроме того, не требует использования экзотических материалов.

Технологии памяти

Отметим, что MagRAM ничего общего не имеет с ферроэлектрической памятью (FRAM, Ferroelectric RAM). Как известно, принцип работы запоминающей ячейки FRAM основан на том, что внешнее электрическое поле перемещает атом сегнетоэлектрического кристалла в одно из двух стабильных положений. Поляризация сегнетоэлектрика характеризуется петлей гистерезиса, следовательно, существуют два порога напряжения, при достижении которых можно изменить направление поляризации на противоположное. Сегнетоэлектрическая пленка создается на основе сплавов окислов металлов (титана, циркония, свинца и т. п.). Отсюда и название "ферро". Но вернемся к MagRAM.

Как это было

А началась эта история, если верить журналу Scientific American (http://www.sciam.com), так. Два года назад к профессору Университета штата Юта Ларри Сэдвику (Larry Sadwick) пришел приятный молодой человек, который представился как Ричард Лино (Richard Lienau), основатель фирмы Pageant Technologies, и предложил свое изобретение - новую разработку кристалла памяти. В начале Сэдвик с большим недоверием отнесся к пришедшему, и на то были все основания. Кому ж, как не ему, хорошо были известны попытки ученых еще с середины 80-х годов заменить конденсатор в ячейке DRAM на ферромагнитный материал типа железа, кобальта или никеля. Как известно, магнитная пленка, в отличие от заряда на крохотном p-n-переходе конденсатора, практически не подвержена "амнезии". И живой пример тому - жесткие магнитные диски. Но в них читает и записывает миллионы бит информации на магнитную пленку одна головка. Можно, конечно, представить, что для каждого хранимого бита информации существует свой датчик, но осуществить это на практике гораздо сложнее.

В последние годы плотно опекать работы ученых, связанные с созданием следующего поколения магнитной памяти, стали крупнейшие фирмы - производители полупроводниковой электроники, такие, как IBM (http://www.ibm.com), Motorola (http://www.motorola.com), Hewlett-Packard (http://www.hp.com). Корпорации Honeywell в 1997 г. даже удалось создать коммерческий образец магнитной памяти. Но он оказался существенно более дорогим и в 10 раз более медленным, чем ячейка DRAM, а кроме того, смог обеспечить в 256 раз меньшую плотность элементов.

Внимательно проанализировав идею Лино, Сэдвик решил, что полностью довериться незнакомцу из Нью-Мексико он пока не может. Pageant Technologies - "темная лошадка", надо просто начать работать и ясно представить себе экспериментальную версию устройства. Ученый четко поставил перед собой три цели. По понятным причинам, для достижения каждой из них нужно было решить массу до сих пор неразрешенных проблем.

Во-первых, ячейка новой памяти должна иметь микронные размеры, обеспечивая совместимость с существующими производственными линиями, и стоить не дороже элементов DRAM. Во-вторых, кристалл должен потреблять как можно меньше энергии, чтобы использовать его в мобильных устройствах. В-третьих, скорость, скорость и скорость. Если обычная DRAM может обеспечить доступ к информации в течение 60 нс, то магнитная должна сделать это гораздо быстрее.

В поисках истины

Для создания первых элементов магнитной памяти ученые применяли различные подходы. Команда, работавшая в Honeywell, использовала так называемый "гигантский магниторезистивный" эффект GMR (Giant MagnetoResistance), открытый около десяти лет назад. Он состоит в том, что в магнитном поле электрическое сопротивление тонкой магнитной пленки меняется примерно на 6%. Отметим, что данный эффект находит применение в современных накопителях на жестких дисках. К сожалению, GMR-устройства потребляют ток довольно большой силы, поэтому транзисторы просто выгорают при уменьшении их размеров.

Группа исследователей из центра в Аризоне, принадлежащего корпорации Motorola, смогла обойти это ограничение с помощью так называемого "псевдовращающегося вентиля" (pseudo-spin valve). Им удалось практически удвоить действие GMR-эффекта. Результатом работы стала матрица памяти 8х8 разрядов, построенная на базе стандартных транзисторных схем.

Ученые из корпорации IBM заострили внимание на другом. Они начали создавать устройство, использующее туннельный эффект через тонкий изолятор. Слабый туннельный ток менялся почти на 30% в зависимости от того, как действовали поля соседних магнитов (в одном направлении или противоположных). И здесь были достигнуты определенные результаты. Исследователям удалось создать матрицу емкостью 14 бит. Для хранения каждого из них требовалось всего 200 нм, а время переключения составляло не более 5 нс.

К сожалению, с массовым производством подобных изделий возникли проблемы. Устройство оказалось исключительно чувствительным к "высоте" тонкого слоя, а толщина пленки алюминия не должна была превышать 0,7 нм (примерно четыре атома). Любое вкрапление замыкало накоротко всю ячейку памяти. Кроме того, туннельное соединение начинало трескаться при температуре 300°С. Напомним, что на производственных линиях, где изготавливаются обычные микросхемы памяти, температура градусов на сто выше.

Пробные элементы магнитных запоминающих устройств недавно созданы в исследовательском центре IMEC (Бельгия), а также корпорацией Toshiba (http://www.toshiba.com). Основой запоминающей ячейки в них служит многослойный магнитный вентиль, выполненный в полупроводниковой структуре кристалла. Согласно имеющейся информации, цикл записи-чтения для этих устройств не превышает 6 нс.

Подход, которым воспользовались Сэдвик со своими коллегами, потребовал меньше денег, причем в основе его лежал эффект, известный уже более 120 лет. Именно тогда американский физик Эдвин Холл открыл явление, впоследствии названное его именем. Напомним, что под эффектом Холла понимают возникновение в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, электрического поля с вектором напряженности, перпендикулярным магнитному.

Подложкой для MagRAM, в отличие от полупроводниковой памяти, может служить не только кремний или арсенид галлия, но и обычное стекло, а в перспективе даже пластик. Ячейка MagRAM не использует кремний. Каждый бит информации в MagRAM хранится в полоске ферромагнитного материала, обладающего специальными свойствами. Она не похожа на обычный (в нашем понимании) магнит, который имеет два фиксированных полюса - северный и южный. Полюса MagRAM меняются местами после посылки короткого импульса тока через проводник, окружающий этот магнит, после чего такое состояние удерживается неограниченно долго. Особая ориентация магнитных полюсов определяется направлением электрического импульса по известному из школы "правилу правой руки". Иными словами, импульсы, посланные в разных направлениях, меняют положение полюсов на противоположное. Это аналогично записи логического нуля или единицы. Миниатюрные датчики, установленные по краям магнита, фиксируют его полярность, не нарушая при чтении запомненное значение. Эти датчики не реагируют на изменения электрического напряжения или сопротивления, благодаря чему процесс чтения и записи происходит исключительно быстро. Приведенные в таблице данные позволяют сравнить различные типы памяти.

Что же, поиски философского камня увенчались успехом? Ведь, по мнению экспертов из корпорации Allied Signal, все тесты нового устройства прошли без всяких сбоев, а технология зарекомендовала себя практически безупречной. Недаром команда из Micromem Technology уверенно смотрит в будущее (см. таблицу). Но все-таки думается, что многое теперь зависит от "китов" полупроводниковой индустрии, которые будут (или не будут) поддерживать новую технологию. Причины для этого у них всегда найдутся. А пока в лаборатории HEDCO Университета штата Юта продолжаются работы по созданию MagRAM Type II.

Статья опубликована в PC Week/RE № (222)48 от 12/21/99, стр. 26
Перепечатывается с разрешения автора.