從磁性隨機存取存儲器到磁性邏輯單元

磁性隨機存取存儲器(MRAM)是一種非易失性存儲器技術(shù)，正在作為一種主流的數據存儲技術(shù)被業(yè)界所廣泛接受。它集成了一個(gè)磁阻器件和一個(gè)硅基選擇矩陣。MRAM的關(guān)鍵屬性有非易失性、低電壓工作、無(wú)限次讀寫(xiě)的耐用性、快速讀寫(xiě)操作，并且作為后端技術(shù)而容易集成。這些特性使得MRAM有可能替代各種應用中的許多類(lèi)型存儲器。

在最簡(jiǎn)單的實(shí)現中，一個(gè)MRAM單元由連接著(zhù)一個(gè)選擇晶體管的磁性隧道結(MTJ)組成。磁性隧道結有兩個(gè)磁層組成，中間用一個(gè)很薄的氧化隧道勢壘隔開(kāi)。其中一個(gè)磁層有固定的磁方向，被稱(chēng)為參考層(FR)，另一個(gè)稱(chēng)為存儲層(SL)，它可以從一個(gè)方向切換到另一個(gè)方向。存儲比特的阻抗是低是高取決于存儲層相對于固定參考層的磁方向，即平行或反平行。要讀取一個(gè)比特時(shí)，選擇晶體管導通，有個(gè)小的讀取電流流經(jīng)隧道結，如圖1所示。然后將結點(diǎn)阻抗的值與位于高低阻抗值之間一半的參考阻抗進(jìn)行比較。

圖1：(a)第一代MRAM中使用的傳統架構在正交寫(xiě)入線(xiàn)的交叉點(diǎn)和選擇晶體管頂部包含MTJ單元。(b)最小磁滯回線(xiàn)的原理圖顯示存儲層的反轉和兩個(gè)對應的阻值：高“1”和低“0”。傳統MRAM架構中使用的讀取(c)和寫(xiě)入機制(d)。在讀取時(shí)，選擇晶體管處于導通狀態(tài)，有個(gè)小的電流流經(jīng)MTJ堆棧，允許其阻抗的測量。在寫(xiě)入時(shí)，選擇晶體管處于斷開(kāi)狀態(tài)，2個(gè)正交磁場(chǎng)的組合確保了選擇性。

圖2：傳統MRAM架構(a)和TAS-MRAM架構(b)中的寫(xiě)入過(guò)程。在TAS-MRAbM寫(xiě)入方法(c)中，存儲單元的寫(xiě)入只有在克服反鐵磁性物質(zhì)的阻塞溫度后才有可能，而這種物質(zhì)能阻止存儲層(當兩個(gè)層被磁性退耦時(shí))。(d)TA-MRAM堆?？傆[，其中存儲層和參考層都受到反鐵磁性層的牽制。

區分不同MRAM主要靠寫(xiě)入存儲層的方法。所有這些傳統方法都存在一個(gè)共同的問(wèn)題，即它們的可縮放性。隨著(zhù)MTJ尺寸的縮小，長(cháng)時(shí)間保持寫(xiě)入的數據狀態(tài)的能力也會(huì )降低。雖然業(yè)界嘗試用了各種方法來(lái)抵消這種效應，但它們都存在著(zhù)使用高得多的功率寫(xiě)入數據的問(wèn)題，從應用角度看使得這種存儲器缺乏吸引力，從而限制了市場(chǎng)的普及。

TAS-MRAM概念

為了打破低功耗可寫(xiě)入能力與數據保持能力之間的惡性循環(huán)，業(yè)界推出了一種被稱(chēng)為熱輔助開(kāi)關(guān)(TAS-MRAM)的新方法。這種簡(jiǎn)單方法使用溫度來(lái)區分數據存儲和低寫(xiě)入功耗要求的屬性。CEA/Spintec實(shí)驗室發(fā)明的TAS-MRAM機制對磁存儲層進(jìn)行了改進(jìn)，增加了一個(gè)反鐵磁性層，這個(gè)層可以在讀取操作時(shí)“阻塞”存儲層的方向。圖2所示的寫(xiě)入過(guò)程因而包含了局部加熱結點(diǎn)到一個(gè)足夠高的溫度以解除這個(gè)“阻塞”屬性，從而允許存儲層在低磁場(chǎng)中被重新定向。這種機制因而支持完全可縮放的比特單元、低功耗的寫(xiě)入和卓越的數據保持能力。

從MRAM到磁性邏輯單元(MLU)

使用TAS-MRAM概念獲得的存儲信息的優(yōu)異穩定性激勵Crocus Technology公司開(kāi)發(fā)出了一種名為磁性邏輯單元(MLU)的新概念。位于MLU核心的是一個(gè)自我參考(SR)的磁單元，這個(gè)單元是用無(wú)磁層直接取代固定參考層(FR)并重命名為傳感層實(shí)現的，見(jiàn)圖3。如前所述，SR比特單元的阻抗取決于傳感層和存儲器的磁方向是平行還是反平行的。然而，由于傳感層方向可以用磁力線(xiàn)進(jìn)行控制，因此這個(gè)單元變成了真正的3端邏輯單元，其輸出值是存儲數據的方向和傳感層方向的比較結果，定義為輸入比磁力線(xiàn)。這個(gè)單元用作XOR(異或)邏輯器件。

圖3：比較帶固定參考(FR)層的TAS-MRAM與帶傳感參考層(SR)的SR-TAS。

磁單元現在可以排列成鏈形，這樣除了傳統的NOR存儲器架構外還能實(shí)現NAND類(lèi)架構(Lcell)。在存儲器應用中會(huì )用到差分讀取方式，即在讀取過(guò)程中傳感層會(huì )被切換。只有阻抗變化標記定義存儲數據的狀態(tài)，不再需要外部參考阻抗值。MLU不僅可以實(shí)現耐用、完全可縮放的存儲器解決方案，還能實(shí)現新的安全功能，比如傳統的“僅存儲器”架構不可能實(shí)現的位置匹配(Match-in-Place)。

位置匹配

Crocus Technology公司開(kāi)發(fā)出了一種名為位置匹配(Match-in-Place)的創(chuàng )新功能，它在實(shí)現用戶(hù)認證的同時(shí)不會(huì )向安全黑客暴露任何機密數據。

圖4：位置匹配。

位置匹配架構的每個(gè)單元都是由一個(gè)非易失存儲器單元和虛擬的MLU異或門(mén)組成。多個(gè)單元串連在一起形成一條NAND鏈路，機密數據就存儲在這里。用戶(hù)數據隨即施加于磁力線(xiàn)，最終形成的鏈路阻抗要么正確要么錯誤。如果輸入數據是錯誤的(即不匹配存儲的數據)，那就不會(huì )有任何信息離開(kāi)存儲器，并提供哪些比特錯誤的信息。這是線(xiàn)性位置匹配引擎的基本原理。如果多條位置匹配N(xiāo)AND鏈路以平行方式放置，它們就能同時(shí)用來(lái)比較某個(gè)圖案與許多存儲圖案的差異。

在圖4所示例子中，一組4個(gè)MLU單元串聯(lián)在一起形成一條NAND鏈，并成功創(chuàng )建了一個(gè)線(xiàn)性的位置匹配引擎。輸入的二進(jìn)制圖案0011與存儲的二進(jìn)制圖案1010進(jìn)行比較。每個(gè)存儲的比特都要與同組的比特進(jìn)行逐一比較。敏感的存儲數據永遠不會(huì )被讀取并暴露給黑客，匹配周期在速度和功耗上要比現有解決方案高出幾個(gè)數量級。位置匹配引擎可以用作硬件加速器，進(jìn)而簡(jiǎn)化IC架構，降低總體成本。這種新架構的應用領(lǐng)域非常廣泛，包括安全微控制器、生物學(xué)設備和相關(guān)的存儲器件。

使用案例：安全微控制器

Crocus決定專(zhuān)注于安全業(yè)務(wù)，并專(zhuān)門(mén)為智能卡和嵌入式微控制器開(kāi)發(fā)出了一系列高端的安全產(chǎn)品。在智能卡業(yè)務(wù)中增加Crocus的MLU功能可以提供諸多重要的優(yōu)勢，包括更短的編程時(shí)間、更方便的軟件開(kāi)發(fā)、更高的可靠性和更快的個(gè)性化時(shí)間。

與現有的NOR閃存技術(shù)相比，非易失性存儲器可以在很短時(shí)間內完成數據寫(xiě)入。編程時(shí)間可以短至60ns，因而能加速關(guān)鍵的PIN碼寫(xiě)入操作和密鑰管理。由于MLU固有的架構，指令和數據可以按字節、半字或字的方式寫(xiě)入和擦除，不需要頁(yè)面或組的管理。在先進(jìn)的技術(shù)節點(diǎn)，經(jīng)典的非易失性存儲器(NVM)需要復雜的控制器來(lái)處理磨損均衡等功能，而MLU技術(shù)是不需要的，因為它本身就具有很高的耐用性。

智能卡產(chǎn)品的一個(gè)重要方面是需要個(gè)性化編程信息、安全操作系統或嵌入式應用程序，以反映發(fā)行者的配置信息和最終用戶(hù)的特點(diǎn)。

快速編程可以顯著(zhù)節省成本。Crocus Technology公司推出的MLU系列安全微控制器具有32位安全內核、用于存儲代碼和數據的MLU以及接觸和非接觸接口。非常高端的CT32MLU1200的目標應用是EMVco和通用標準EAL5+認證。