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Everspin

1-GBit-MRAMs für den Mainstream

11. Januar 2017, 11:20 Uhr | Heinz Arnold

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Crocus

Crocus, 2004 aus SPINTEC und LETI in Grenoble hervorgegangen, hat die Magnetic-Logic-Unit-Technik vorangetrieben, eine selbstreferentielle Technik, die auf zwei Grundlagen fußt: dem Thermally Assisted Switching (TAS) und dem Differential Assisted Programming (DTAP). Damit will Crocus verschiedene Märkte angehen: sehr empfindliche Magnetsensoren, sehr robuste und für hohen Temperaturen geeignete Embedded-Speicher, vor allem für den Einsatz in Sicherheitssystemen, und nichtflüchtige Speicher, die sich auch für hohe Temperaturen eignen. Die selbstreferentielle TAS-Technik bietet besonders für Anwendungen von embedded MRAMs als Secure Elements in Controllern für Sicherheitskarten aller Art eine Rolle. Anfang 2014 hatte ARM die MLU-Technik von Crocus lizenziert.

Offenbar waren die Spezialisten dort überzeugt, dass dieser Speicher die richtige Kombination aus geringer Leistungsaufnahme, Robustheit und hoher Schreibgeschwindigkeit liefert und deshalb eines Tages die Embedded-Flash-Speicher und EEPROMs ersetzen kann. RusNano war offenbar schon früher vom Potenzial der TAS-MLU-MRAM-Technik überzeugt und steckte 2011 rund 300 Mio. Dollar in den Bau einer Fab, in der ICs auf 200- und 300-mm-Wafern gefertigt werden sollten, die auf der Technik von Crocus basieren.

Im Juli hatte das IMEC bekannt gegeben, ein Problem der MRAMs gelöst zu haben. Die Technik ist zwar an sich schon sehr stromsparend, die Stromdichte, die erforderlich ist, um ein Bit umzuschalten, steigt allerdings doch, und zwar umso stärker, je kleiner die Strukturgrößen werden. Mit einer speziellen Technik wollen nun die Wissenschaftler des IMEC dieses Problem umgangen haben. Damit sei der Weg frei für den universellen Speicher, so dass MRAMs so schnell wie SRAMs, so dicht wie Flash-Speicher und so billig wie ROMs werden können. Wie und wann die neue Technik in realen MRAMs Anwendung finden kann, ist derzeit nicht bekannt.

Das letzte Wort soll die Firma behalten, deren Mitarbeiter John Slonczewski den STT-MRAM 1996 erfunden hat, nämlich IBM (damals in Zusammenarbeit mit Motorola, aus der Freescale und später Everspin hervorgehen sollten). IBM ist der Überzeugung, dass STT-MRAMs zunächst embedded Flash verdrängen wird, weil es einfacher einzubetten ist, schneller ist und unlimitierte Schreib- und Lesezyklen bietet. In spätestens drei Jahren soll es soweit sein. Wie gesagt, es dürfte spannend zu beobachten sein, welche Firma die Zeitvorgaben einhält und ob es den MRAMs gelingt, ihre Nische zu verlassen und in den Massenmarkt vorzudringen.

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Funktionsprinzip…

...einer STT-MRAM-Zelle

Jede Zelle der STT-MRAM-Zelle besteht aus einem Transistor und einer vertikal angelegten Tunnel-Juction. Die Tunnel-Junction besteht aus einer fest magnetisch orientierten Schicht (Nordpol zeigt nach oben) und einer zweiten magnetischen Schicht, deren Polarisierung sich entweder als „1“ oder „0“programmieren lässt. Die Programmierung geschieht über einen Strom von 7,5 µA. Für eine Zelle, die nicht nach dem STT-Prinzip arbeitet, wäre ein Strom in der Größenordnung von mA nötig. Es kommt also darauf an, pMTJ und STT zu kombinieren. Wenn der Strom nach oben fließt ist das resultierende Bit in der oberen Schicht genauso orientiert wie die untere feste Schicht. Fließt der Strom von oben nach unten, orientiert sich die obere Schicht antiparallel zur unteren Schicht. Weil dabei keine Atome bewegt werden, kann praktisch unendlich oft geschaltet werden. Der Datenerhalt ist auf 10 bis 20 Jahre einstellbar. Die eigentliche magnetische Ausrichtung der Zelle lässt sich über dem Auswahltransistor anordnen – im Back-End-of-Line-Prozess und ohne dass dafür Ladungspumpen nötig wären. (Quelle: IBM)