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

　　經(jīng)常有人將磁阻RAM(MRAM，magnetor-esistive random access memory)稱作是非易失性存儲(chǔ)器(nvRAM, Non-Volatile RAM)在未來(lái)的關(guān)鍵性技術(shù)。作為一項(xiàng)非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，MRAM是可以在掉電時(shí)保留數(shù)據(jù)，并且不需要定期刷新。MRAM利用磁性材料和傳統(tǒng)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(nèi)存和其他要求高速、耐用和非易失性的商業(yè)應(yīng)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(jì)高效而且可靠的非易失性存儲(chǔ)器來(lái)長(zhǎng)期引導(dǎo)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(jí)溫度范圍(0℃~+70℃)。

　　不久前，飛思卡爾半導(dǎo)體又成功推出全球首款3V 4Mbit的擴(kuò)展溫度范圍(-40℃~+105℃)的非易失性RAM (nvRAM) 產(chǎn)品MR2A16AV，從而擴(kuò)展了其獲獎(jiǎng)磁電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器 (MRAM)的產(chǎn)品系列。飛思卡爾提供了新的擴(kuò)展溫度范圍選擇，使MRAM可用于惡劣的應(yīng)用環(huán)境，如工業(yè)、軍事、航空和和汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)等。在這類應(yīng)用中，半導(dǎo)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(kuò)展了商用MRAM 產(chǎn)品系列。該器件可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供另一種密度選擇，它針對(duì)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(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)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(kuò)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(jī)存儲(chǔ)器，所謂“非易失性”是指掉電后，仍可以保持存儲(chǔ)內(nèi)容完整，此功能與FLASH閃存相同。而“隨機(jī)存取”是指處理器讀取資料時(shí)，不一定要從頭開始，隨時(shí)可用相同的速率，從內(nèi)存的任何位置讀寫信息。MRAM中的存儲(chǔ)單元采用磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。MTJ由固定磁層、薄絕緣隧道隔離層和自由磁層組成。當(dāng)向MTJ施加偏壓時(shí)，被磁層極化的電子會(huì)通過(guò)一個(gè)稱為穿遂(Tunneling)的過(guò)程，穿透絕緣隔離層。當(dāng)自由層的磁矩與固定層平行時(shí)，MTJ結(jié)構(gòu)具有低電阻;而當(dāng)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。隨著設(shè)備磁性狀態(tài)的改變，電阻也會(huì)變化，這種現(xiàn)象就稱為磁阻，“磁阻”RAM也因此得名。

　　與大部分其他半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)不同，MRAM中的數(shù)據(jù)以一種磁性狀態(tài)(而不是電荷)存儲(chǔ)，并且通過(guò)測(cè)量電阻來(lái)感應(yīng)，不會(huì)干擾磁性狀態(tài)。采用磁性狀態(tài)存儲(chǔ)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(zhuǎn)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(jī)制。在MRAM中使用的磁阻結(jié)構(gòu)非常類似于在硬盤中使用的讀取方式。

　　如圖1所示，MRAM單元有兩條寫入線，還有讀取電流的路徑。晶體管導(dǎo)通用于檢測(cè)(讀取)，截止用于編程(寫入)。為了制造高密度存儲(chǔ)器，MRAM單元排列在一個(gè)陣列中，每個(gè)寫入線橫跨數(shù)百或數(shù)千個(gè)位，另有用于進(jìn)行交叉點(diǎn)寫入的數(shù)據(jù)線和位線，以及字線控制的隔離晶體管，如圖2所示。在寫入操作中，電流脈沖通過(guò)數(shù)據(jù)線和位線，只寫入處在兩線交叉點(diǎn)上的位。在讀取操作中，目標(biāo)位的絕緣晶體管被打開，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(chǔ)器單元的圖解

圖2 包含MRAM單元的存儲(chǔ)器陣列

　　MRAM技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　與現(xiàn)有的Flash、SRAM、DRAM相比，MRAM由于擁有存取速度高、存取次數(shù)多、耗電量低及體積小、可嵌入且不會(huì)隨著時(shí)間的推移而丟失數(shù)據(jù)等特性，與現(xiàn)有的其他存儲(chǔ)產(chǎn)品相比在便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用上更具優(yōu)勢(shì)。

　　首先，由于MRAM是非易失性的，所以完全斷電后，它會(huì)保持?jǐn)?shù)據(jù)。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(tǒng)功耗。MRAM易于集成，能夠方便地嵌入到系統(tǒng)中去。與SRAM相比，由于MRAM的單元尺寸更小，所以MRAM將在成本競(jìng)爭(zhēng)上處于優(yōu)勢(shì)。MRAM還是非易失性的，而對(duì)于SRAM而言，只有比較復(fù)雜和昂貴的電池備份解決方案才能實(shí)現(xiàn)這一功能。與閃存相比，MRAM的寫入性能更佳，因?yàn)樗拇┧炷Ｊ讲灰蟾唠妷海⑶襇RAM的寫入速度相當(dāng)快。MRAM在寫入周期中消耗的電流更少，寫入每個(gè)數(shù)據(jù)位所需的功耗比閃存低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。MRAM的耐久性是無(wú)限的，沒(méi)有明顯或預(yù)知的磨損機(jī)制，而典型閃存的耐久性僅為105個(gè)寫入周期。

　　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(chǔ)器，可存儲(chǔ)64K字(16位)，讀寫周期為35 ns，它采用標(biāo)準(zhǔn)的SRAM引腳，從而可以用同樣的封裝將內(nèi)存從1Mb擴(kuò)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(yīng)用，如聯(lián)網(wǎng)、安全、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、游戲和打印機(jī)。

　　與之同時(shí)推出的飛思卡爾MR2A16AV是一種4Mbit，擴(kuò)展溫度范圍的3.3V異步存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)256K字(16位)，讀寫周期為35 ns。它采用標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)輸、軍事和航空應(yīng)用的嚴(yán)苛環(huán)境提供了一種強(qiáng)大的NVM解決方案。

　　多次獲獎(jiǎng)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(zhuǎn)寫入模式，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(jié)構(gòu)，其中結(jié)合了創(chuàng)新的體系結(jié)構(gòu)，以保證磁數(shù)據(jù)的可靠寫入。

　　MR2A16A可以實(shí)現(xiàn)非常靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)而不會(huì)導(dǎo)致總線競(jìng)爭(zhēng)。MR2A16A帶有單獨(dú)的字節(jié)支持控制(byte-enable control)，各字節(jié)均可獨(dú)立寫入和讀取。MR2A16的運(yùn)行電壓為3.3V，具有對(duì)稱的高速讀寫功能，讀寫周期為35ns。MR2A16能夠用8位或16位的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行存取，帶有低電壓保護(hù)電路的自動(dòng)數(shù)據(jù)保護(hù)功能可防止電源中斷時(shí)寫入數(shù)據(jù)，所有輸入和輸出都兼容TTL，采用完全靜態(tài)的操作，數(shù)據(jù)至少可保存10年。MR2A16A經(jīng)濟(jì)而又可靠，適用于多種商業(yè)應(yīng)用，包括網(wǎng)絡(luò)、安全、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、游戲和打印機(jī)等。在需要永久存儲(chǔ)和快速檢索關(guān)鍵數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，MR2A16A是理想的存儲(chǔ)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(jiǎng)、電子工程專輯的2007年度最佳存儲(chǔ)產(chǎn)品獎(jiǎng)、LSI of the Year的年度杰出產(chǎn)品獎(jiǎng)和In-Stat/Microprocessor Report 的2007年度創(chuàng)新產(chǎn)品獎(jiǎng)。此外，飛思卡爾的MRAM設(shè)備還曾入圍EDN的“2006年度創(chuàng)新獎(jiǎng)”和電子工程專輯的“2006年度ACE獎(jiǎng)”。