飛思卡爾擴展MRAM產(chǎn)品系列 引領(lǐng)非易失性存儲器未來(lái)

　　經(jīng)常有人將磁阻RAM(MRAM，magnetor-esistive random access memory)稱(chēng)作是非易失性存儲器(nvRAM, Non-Volatile RAM)在未來(lái)的關(guān)鍵性技術(shù)。作為一項非易失性存儲器技術(shù)，MRAM是可以在掉電時(shí)保留數據，并且不需要定期刷新。MRAM利用磁性材料和傳統的硅電路在單個(gè)器件中提供了SRAM的高速度和閃存的非易失性，它的壽命幾乎是沒(méi)有限制的 。MRAM器件可以用于高速緩沖器、配置內存和其他要求高速、耐用和非易失性的商業(yè)應用。

　　作為首家將MRAM 技術(shù)商業(yè)化的公司，飛思卡爾通過(guò)不斷推出經(jīng)濟高效而且可靠的非易失性存儲器來(lái)長(cháng)期引導市場(chǎng)發(fā)展。飛思卡爾2006年推出的MR2A16A 4Mbit 產(chǎn)品是全球首款商用MRAM器件，工作于商用級溫度范圍(0℃~+70℃)。

　　不久前，飛思卡爾半導體又成功推出全球首款3V 4Mbit的擴展溫度范圍(-40℃~+105℃)的非易失性RAM (nvRAM) 產(chǎn)品MR2A16AV，從而擴展了其獲獎磁電阻式隨機存儲器 (MRAM)的產(chǎn)品系列。飛思卡爾提供了新的擴展溫度范圍選擇，使MRAM可用于惡劣的應用環(huán)境，如工業(yè)、軍事、航空和和汽車(chē)應用設計等。在這類(lèi)應用中，半導體產(chǎn)品必須能夠忍受惡劣的工作環(huán)境和極端的溫度范圍。

　　飛思卡爾還推出了一種1Mbit器件MR0A16A，擴展了商用MRAM 產(chǎn)品系列。該器件可為系統設計師提供另一種密度選擇，它針對的是主流嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)上的“最佳點(diǎn)(sweet spot)”。此外，飛思卡爾還計劃進(jìn)一步擴展其MRAM產(chǎn)品系列，在2007年第三季度增加總共九種商用和工業(yè)用擴展溫度產(chǎn)品。

　　MRAM技術(shù)介紹

　　MRAM是一種非易失性的磁性隨機存儲器，所謂“非易失性”是指掉電后，仍可以保持存儲內容完整，此功能與FLASH閃存相同。而“隨機存取”是指處理器讀取資料時(shí)，不一定要從頭開(kāi)始，隨時(shí)可用相同的速率，從內存的任何位置讀寫(xiě)信息。MRAM中的存儲單元采用磁隧道結(MTJ)結構來(lái)進(jìn)行數據存儲。MTJ由固定磁層、薄絕緣隧道隔離層和自由磁層組成。當向MTJ施加偏壓時(shí)，被磁層極化的電子會(huì )通過(guò)一個(gè)稱(chēng)為穿遂(Tunneling)的過(guò)程，穿透絕緣隔離層。當自由層的磁矩與固定層平行時(shí)，MTJ結構具有低電阻;而當自由層的磁矩方向與固定層反向平行(anti-parallel)時(shí)，則具有高電阻。隨著(zhù)設備磁性狀態(tài)的改變，電阻也會(huì )變化，這種現象就稱(chēng)為磁阻，“磁阻”RAM也因此得名。

　　與大部分其他半導體存儲器技術(shù)不同，MRAM中的數據以一種磁性狀態(tài)(而不是電荷)存儲，并且通過(guò)測量電阻來(lái)感應，不會(huì )干擾磁性狀態(tài)。采用磁性狀態(tài)存儲有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：(1)磁場(chǎng)極性不像電荷那樣會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而泄漏，因此即使在斷電的情況下，也能保持信息;(2)在兩種狀態(tài)之間轉換磁場(chǎng)極性時(shí)，不會(huì )發(fā)生電子和原子的實(shí)際移動(dòng)，這樣也就不會(huì )有所謂的失效機制。在MRAM中使用的磁阻結構非常類(lèi)似于在硬盤(pán)中使用的讀取方式。

　　如圖1所示，MRAM單元有兩條寫(xiě)入線(xiàn)，還有讀取電流的路徑。晶體管導通用于檢測(讀取)，截止用于編程(寫(xiě)入)。為了制造高密度存儲器，MRAM單元排列在一個(gè)陣列中，每個(gè)寫(xiě)入線(xiàn)橫跨數百或數千個(gè)位，另有用于進(jìn)行交叉點(diǎn)寫(xiě)入的數據線(xiàn)和位線(xiàn)，以及字線(xiàn)控制的隔離晶體管，如圖2所示。在寫(xiě)入操作中，電流脈沖通過(guò)數據線(xiàn)和位線(xiàn)，只寫(xiě)入處在兩線(xiàn)交叉點(diǎn)上的位。在讀取操作中，目標位的絕緣晶體管被打開(kāi)，MTJ上施加偏壓后，將產(chǎn)生的電流與參考值進(jìn)行比較，以確定電阻狀態(tài)是低還是高。

圖1 1個(gè)晶體管,1個(gè)MTJ存儲器單元的圖解

圖2 包含MRAM單元的存儲器陣列

　　MRAM技術(shù)優(yōu)勢

　　與現有的Flash、SRAM、DRAM相比，MRAM由于擁有存取速度高、存取次數多、耗電量低及體積小、可嵌入且不會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而丟失數據等特性，與現有的其他存儲產(chǎn)品相比在便攜式電子產(chǎn)品的應用上更具優(yōu)勢。

　　首先，由于MRAM是非易失性的，所以完全斷電后，它會(huì )保持數據。由于不需要背景刷新，MRAM能夠在非活動(dòng)狀態(tài)下關(guān)閉。與DRAM相比，這可以大幅降低系統功耗。MRAM易于集成，能夠方便地嵌入到系統中去。與SRAM相比，由于MRAM的單元尺寸更小，所以MRAM將在成本競爭上處于優(yōu)勢。MRAM還是非易失性的，而對于SRAM而言，只有比較復雜和昂貴的電池備份解決方案才能實(shí)現這一功能。與閃存相比，MRAM的寫(xiě)入性能更佳，因為它的穿遂模式不要求高電壓，并且MRAM的寫(xiě)入速度相當快。MRAM在寫(xiě)入周期中消耗的電流更少，寫(xiě)入每個(gè)數據位所需的功耗比閃存低幾個(gè)數量級。MRAM的耐久性是無(wú)限的，沒(méi)有明顯或預知的磨損機制，而典型閃存的耐久性?xún)H為105個(gè)寫(xiě)入周期。

　　MR0A16A與MR2A16AV

　　飛思卡爾最近推出的MR0A16A是一種1Mbit的用于商用溫度范圍的3.3V異步存儲器，可存儲64K字(16位)，讀寫(xiě)周期為35 ns，它采用標準的SRAM引腳，從而可以用同樣的封裝將內存從1Mb擴展到4Mb。該器件采用符合RoHS 要求的400-mil TSOP II型封裝，適合各種商業(yè)應用，如聯(lián)網(wǎng)、安全、數據存儲、游戲和打印機。

　　與之同時(shí)推出的飛思卡爾MR2A16AV是一種4Mbit，擴展溫度范圍的3.3V異步存儲器，可存儲256K字(16位)，讀寫(xiě)周期為35 ns。它采用標準的SRAM引腳，可以兼容SRAM 和其他 nvRAM產(chǎn)品。該器件采用符合RoHS要求的400-mil TSOP II型封裝中，為工業(yè)自動(dòng)化、運輸、軍事和航空應用的嚴苛環(huán)境提供了一種強大的NVM解決方案。

　　多次獲獎的MR2A16A

　　2006年，全球首款商用MRAM產(chǎn)品在飛思卡爾投入生產(chǎn)，飛思卡爾將其命名為MR2A16。MR2A16基于翻轉寫(xiě)入模式，并與采用銅互連技術(shù)的CMOS相集成。MRAM單元采用單個(gè)晶體管和磁性隧道結構，其中結合了創(chuàng )新的體系結構，以保證磁數據的可靠寫(xiě)入。

　　MR2A16A可以實(shí)現非常靈活的系統設計而不會(huì )導致總線(xiàn)競爭。MR2A16A帶有單獨的字節支持控制(byte-enable control)，各字節均可獨立寫(xiě)入和讀取。MR2A16的運行電壓為3.3V，具有對稱(chēng)的高速讀寫(xiě)功能，讀寫(xiě)周期為35ns。MR2A16能夠用8位或16位的數據總線(xiàn)進(jìn)行存取，帶有低電壓保護電路的自動(dòng)數據保護功能可防止電源中斷時(shí)寫(xiě)入數據，所有輸入和輸出都兼容TTL，采用完全靜態(tài)的操作，數據至少可保存10年。MR2A16A經(jīng)濟而又可靠，適用于多種商業(yè)應用，包括網(wǎng)絡(luò )、安全、數據存儲、游戲和打印機等。在需要永久存儲和快速檢索關(guān)鍵數據的應用中，MR2A16A是理想的存儲器解決方案。

　　MR2A16A曾獲得Electronic Products雜志頒發(fā)的2006年度最佳產(chǎn)品獎、電子工程專(zhuān)輯的2007年度最佳存儲產(chǎn)品獎、LSI of the Year的年度杰出產(chǎn)品獎和In-Stat/Microprocessor Report 的2007年度創(chuàng )新產(chǎn)品獎。此外，飛思卡爾的MRAM設備還曾入圍EDN的“2006年度創(chuàng )新獎”和電子工程專(zhuān)輯的“2006年度ACE獎”。