1.从"电荷"到"自旋",是一次存储机制的根本切换
DRAM用电容上的电荷表示1/0,Flash(NOR/NAND)用浮栅或电荷陷阱层中的电子数量表示1/0。这两类技术的共同点是:信息载体是电荷。而电荷会漏、会受辐照影响、会随时间衰减——这就是DRAM必须周期性刷新、Flash必须做ECC、保留时间有限的根本原因。
STT-MRAM换了一套载体:用磁性材料层的磁化方向表示二进制数据。MRAM存储芯片磁化方向是一个热力学稳定的状态量,不需要外部能量维持,所以它天然非易失;磁化矢量不受电离辐射产生的电荷积累影响,所以它天然对单粒子翻转(SEU)免疫。
2.pMTJ:一个"三明治"结构决定了全部性能
STT-MRAM的存储核心是磁性隧道结(MTJ)。垂直磁性隧道结(pMTJ)由三层关键膜层构成:
-自由层(Free Layer):磁化方向可被电流翻转,代表存储的比特值;
-隧穿势垒层(Tunnel Barrier,通常为MgO):厚度仅约1nm量级,是电子隧穿的通道;
-参考层(Reference Layer):磁化方向被固定,作为参考基准。
自由层与参考层磁化方向平行(P态)时器件呈低阻,反平行(AP态)时呈高阻。这种电阻差异来自隧穿磁阻效应(TMR),MgO势垒的pMTJ通常可以做到100%以上的TMR比率——足够大的窗口,是"读得准"的前提。
3.MRAM存储芯片写入:自旋转移力矩(STT)如何翻转自由层
写入时,向MTJ通入一股自旋极化电流。电子在穿过参考层时被极化,其自旋角动量在进入自由层后传递给局域磁矩,形成自旋转移力矩,把自由层磁化方向推向与参考层平行或反平行——电流方向决定写入0还是1。
4、STT-MRAM的可靠性
STT-MRAM用磁化状态保存数据,不依赖电荷,这为非电荷存储机制在辐射环境下改善数据可靠性提供了物理基础。电离辐射在硅中产生电子-空穴对,会在存储节点上积累电荷,这是SRAM单粒子翻转、DRAM软错误、Flash电荷流失的共同根源;而磁化矢量的翻转需要克服势垒,且对电荷积累不敏感——因此磁比特本身对SEU具有内禀免疫力。
NETSOL的MRAM产品线基于28nm eMRAM工艺开发并量产。工艺代差带来的直接结果是:同等容量下die面积更小、成本更低、写入电流更低。读写耐久10¹⁴次、读耐久无限、数据保持20年85℃、无需外部ECC、并行接口支持页读写(page read/write)以提升带宽、工业级温度选项(-40℃~85℃/-40℃~105℃)、工业标准pin-out与封装(8WSON、8SOP、16SOP、24FBGA、44TSOP2、48FBGA、54TSOP2)。
作为三星NETSOL代理,英尚微电子深耕芯片行业15年以上,专注销售低功耗、高集成度的MRAM存储芯片产品,可精准适配各类边缘计算场景。企业提供专业的产品选型、技术咨询与落地支持,助力终端设备依托MRAM存储芯片实现更低功耗、更高效率、更稳运行的边缘计算作业。