從磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器到磁性邏輯單元

磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)是一種非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，正在作為一種主流的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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、無限次讀寫的耐用性、快速讀寫操作，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(yīng)用中的許多類型存儲(chǔ)器。

在最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)中，一個(gè)MRAM單元由連接著一個(gè)選擇晶體管的磁性隧道結(jié)(MTJ)組成。磁性隧道結(jié)有兩個(gè)磁層組成，中間用一個(gè)很薄的氧化隧道勢(shì)壘隔開。其中一個(gè)磁層有固定的磁方向，被稱為參考層(FR)，另一個(gè)稱為存儲(chǔ)層(SL)，它可以從一個(gè)方向切換到另一個(gè)方向。存儲(chǔ)比特的阻抗是低是高取決于存儲(chǔ)層相對(duì)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(dǎo)通，有個(gè)小的讀取電流流經(jīng)隧道結(jié)，如圖1所示。然后將結(jié)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(tǒng)架構(gòu)在正交寫入線的交叉點(diǎn)和選擇晶體管頂部包含MTJ單元。(b)最小磁滯回線的原理圖顯示存儲(chǔ)層的反轉(zhuǎn)和兩個(gè)對(duì)應(yīng)的阻值：高“1”和低“0”。傳統(tǒng)MRAM架構(gòu)中使用的讀取(c)和寫入機(jī)制(d)。在讀取時(shí)，選擇晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，有個(gè)小的電流流經(jīng)MTJ堆棧，允許其阻抗的測(cè)量。在寫入時(shí)，選擇晶體管處于斷開狀態(tài)，2個(gè)正交磁場(chǎng)的組合確保了選擇性。

圖2：傳統(tǒng)MRAM架構(gòu)(a)和TAS-MRAM架構(gòu)(b)中的寫入過程。在TAS-MRAbM寫入方法(c)中，存儲(chǔ)單元的寫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(chǔ)層(當(dāng)兩個(gè)層被磁性退耦時(shí))。(d)TA-MRAM堆棧總覽，其中存儲(chǔ)層和參考層都受到反鐵磁性層的牽制。

區(qū)分不同MRAM主要靠寫入存儲(chǔ)層的方法。所有這些傳統(tǒng)方法都存在一個(gè)共同的問題，即它們的可縮放性。隨著MTJ尺寸的縮小，長時(shí)間保持寫入的數(shù)據(jù)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抵消這種效應(yīng)，但它們都存在著使用高得多的功率寫入數(shù)據(jù)的問題，從應(yīng)用角度看使得這種存儲(chǔ)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入能力與數(shù)據(jù)保持能力之間的惡性循環(huán)，業(yè)界推出了一種被稱為熱輔助開關(guān)(TAS-MRAM)的新方法。這種簡(jiǎn)單方法使用溫度來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和低寫入功耗要求的屬性。CEA/Spintec實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的TAS-MRAM機(jī)制對(duì)磁存儲(chǔ)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(chǔ)層的方向。圖2所示的寫入過程因而包含了局部加熱結(jié)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(chǔ)層在低磁場(chǎng)中被重新定向。這種機(jī)制因而支持完全可縮放的比特單元、低功耗的寫入和卓越的數(shù)據(jù)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(chǔ)信息的優(yōu)異穩(wěn)定性激勵(lì)Crocus Technology公司開發(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)單元是用無磁層直接取代固定參考層(FR)并重命名為傳感層實(shí)現(xiàn)的，見圖3。如前所述，SR比特單元的阻抗取決于傳感層和存儲(chǔ)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(chǔ)數(shù)據(jù)的方向和傳感層方向的比較結(jié)果，定義為輸入比磁力線。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(xiàn)在可以排列成鏈形，這樣除了傳統(tǒng)的NOR存儲(chǔ)器架構(gòu)外還能實(shí)現(xiàn)NAND類架構(gòu)(Lcell)。在存儲(chǔ)器應(yīng)用中會(huì)用到差分讀取方式，即在讀取過程中傳感層會(huì)被切換。只有阻抗變化標(biāo)記定義存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，不再需要外部參考阻抗值。MLU不僅可以實(shí)現(xiàn)耐用、完全可縮放的存儲(chǔ)器解決方案，還能實(shí)現(xiàn)新的安全功能，比如傳統(tǒng)的“僅存儲(chǔ)器”架構(gòu)不可能實(shí)現(xiàn)的位置匹配(Match-in-Place)。

位置匹配

Crocus Technology公司開發(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(xiàn)用戶認(rèn)證的同時(shí)不會(huì)向安全黑客暴露任何機(jī)密數(shù)據(jù)。

圖4：位置匹配。

位置匹配架構(gòu)的每個(gè)單元都是由一個(gè)非易失存儲(chǔ)器單元和虛擬的MLU異或門組成。多個(gè)單元串連在一起形成一條NAND鏈路，機(jī)密數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)在這里。用戶數(shù)據(jù)隨即施加于磁力線，最終形成的鏈路阻抗要么正確要么錯(cuò)誤。如果輸入數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的(即不匹配存儲(chǔ)的數(shù)據(jù))，那就不會(huì)有任何信息離開存儲(chǔ)器，并提供哪些比特錯(cuò)誤的信息。這是線性位置匹配引擎的基本原理。如果多條位置匹配NAND鏈路以平行方式放置，它們就能同時(shí)用來比較某個(gè)圖案與許多存儲(chǔ)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)線性的位置匹配引擎。輸入的二進(jìn)制圖案0011與存儲(chǔ)的二進(jìn)制圖案1010進(jìn)行比較。每個(gè)存儲(chǔ)的比特都要與同組的比特進(jìn)行逐一比較。敏感的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)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(xiàn)有解決方案高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。位置匹配引擎可以用作硬件加速器，進(jìn)而簡(jiǎn)化IC架構(gòu)，降低總體成本。這種新架構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括安全微控制器、生物學(xué)設(shè)備和相關(guān)的存儲(chǔ)器件。

使用案例：安全微控制器

Crocus決定專注于安全業(yè)務(wù)，并專門為智能卡和嵌入式微控制器開發(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(shì)，包括更短的編程時(shí)間、更方便的軟件開發(fā)、更高的可靠性和更快的個(gè)性化時(shí)間。

與現(xiàn)有的NOR閃存技術(shù)相比，非易失性存儲(chǔ)器可以在很短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)寫入。編程時(shí)間可以短至60ns，因而能加速關(guān)鍵的PIN碼寫入操作和密鑰管理。由于MLU固有的架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)可以按字節(jié)、半字或字的方式寫入和擦除，不需要頁面或組的管理。在先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)典的非易失性存儲(chǔ)器(NVM)需要復(fù)雜的控制器來處理磨損均衡等功能，而MLU技術(shù)是不需要的，因?yàn)樗旧砭途哂泻芨叩哪陀眯浴?/p>

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(tǒng)或嵌入式應(yīng)用程序，以反映發(fā)行者的配置信息和最終用戶的特點(diǎn)。

快速編程可以顯著節(jié)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(nèi)核、用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)的MLU以及接觸和非接觸接口。非常高端的CT32MLU1200的目標(biāo)應(yīng)用是EMVco和通用標(biāo)準(zhǔn)EAL5+認(rèn)證。