MRAM là gì?
MRAM (viết tắt bởi Magnetoresistive Random Access Memory) là loại bộ nhớ ứng dụng công nghệ hiện đại giúp lưu trữ dữ liệu ngay cả khi mất điện thông qua trừ trường thay vì điện tích như DRAM hoặc Flash. Đây là một dạng mới của RAM. Công nghệ này được ứng dụng trong các thiết bị di động, các thiết bị điện toán khác khi không cần dòng điện liên tục để lưu trữ dữ liệu.
Nhờ vậy chi phí sản xuất công nghệ MRAM cũng thấp hơn đáng kể so với các công nghệ bộ nhớ khác, cùng với đó là tốc độ của nó cũng nhanh hơn so với các công nghệ khác như Flash và EEPROM.
Cách thức hoạt động của MRAM
MRAM không sử dụng điện tích để xác minh xem các xung ánh sáng tới có chứa One hay Zero, chúng sử dụng một tấm kim loại làm bằng vật liệu sắt từ. Có một lớp lót mỏng ngăn cách hai tấm và hoạt động như một lớp cách nhiệt. MRAM xác định giá trị nhị phân bằng cách xem xét hướng của từ trường. Một trong những tấm sắt từ vẫn được từ hóa ban đầu, tấm còn lại có thể hoặc không thể bị từ hóa bất kỳ lúc nào.
Cấu trúc gồm các tấm sắt từ và một lớp cách nhiệt được gọi là magnetic tunnel junction (MJT), chúng có tác động rất lớn đến chức năng của MRAM. MJT hoạt động dựa trên hiện lượng lượng tử gọi là electron tunnelling. Nó đơn giản là các tấm sắt chứa electron sẽ di chuyển sang tấm đối diện và thực hiện bằng cách sử dụng một lớp cách nhiệt.
Vì độ dày của lớp các điện thấp nên các electron dễ dàng tìm được đến các tấm khác. Yếu tố quan trọng để quá trình này xảy ra ở mức độ cao là hướng của tấm. Nếu các tấm được định hướng kiểu song song, hiện tượng electron tunneling sẽ xảy ra và có thể quan sát thấy sự thay đổi điện trở của mối nối. Sự thay đổi này sẽ cho chúng ta biết bit nhị phân là 1 hay 0. MRAM có thể chịu được sự hao mòn.
Đặc điểm chính của MRAM
Các đặc điểm của bất kỳ bộ nhớ bất biến nào cũng khá giống nhau, nó thường bao gồm tốc độ đọc – ghi, khả năng lưu trữ dữ liệu và độ bền. 4 đặc điểm này sẽ không thay đổi ở bất kỳ công nghệ bộ nhớ không mất dữ liệu nào. Cụ thể sẽ được chia sẻ dưới đây:
Tốc độ ghi của MRAM
Trong MRAM, việc ghi không phải là quá trình đơn giản và nó đòi hỏi nhiều thứ để thực hiện đúng. Ý tưởng chính xoay quanh hoạt động của MRAM là momen xoắn của electron được truyền sang lớp tự do và cần một vài electron để bắt đầu.
Vì chúng phụ thuộc vào độ lệch đến từ các dao động nhiệt nên việc bắt đầu ghi trên MRAM sẽ thay đổi mỗi lần nó được lập trình. Tốc độ khởi tạo sẽ xác định thời gian cần thiết để thiết bị chuyển đổi. Không thể dự đoán được vì trong hệ thống, một số bit có thể được ghi và lập trình nhanh hơn các bit khác. Cách khác để hỗ trợ việc ghi là sử dụng một số vật liệu nhất định để làm cho thiết bị không ổn định về nhiệt. Ngoài ngoài có thể tham gia vào quá trình giảm sự từ tính để làm cho thiết bị tự dao động. Vấn đề với tốc độ ghi là nếu tăng quá cao thì MTJ sẽ bị hao mòn rất nhiều. Nó chủ yếu xảy ra với STT MRAM, còn nếu bạn sử dụng SOT MRAM thì không cần lo lắn về độ bền của thiết bị vì dòng điện không đi qua MTJ mà đi qua một đường dẫn khác song song với các lớp.
Tốc độ đọc của MRAM
Hai yếu tố chính làm tăng hoặc giảm tốc độ đọc của MRAM đó là từ trở và memory window. Nếu trang thái 0 và 1 của bộ nhớ cách xa nhau và độ phân cực cao hơn bình thường thì việc đọc MRAM trơ rneen dễ dàng.
Nếu bộ khuếch đạo cảm biến có thể nhanh chóng đưa dòng điện vào mạch thì tốc độ đọc sẽ cao hơn. Ngay cả trong trường hợp tốc độ đọc vẫn còn một số hạn chế cần tuân theo. Tốc độ đọc có thể đóng vai trò là tốc độ ghi nếu dòng điện đầu vào cao hơn giới hạn tiêu chuẩn. Tốc độ đọc sẽ không thay đổi với SOT MRAM, chúng sẽ hoạt động tương tự như tốc độ ghi nếu dòng điện không được quản lý đúng cách.
Độ bền
Bất kỳ khi nào các Electron di chuyển ra khỏi Tunnel để đến tấm đối diện, chúng sẽ góp phần làm mòn lớp cách điện mỏng. Khi quá trình này xảy ra nhiều lần, nó được gọi là hiệu ứng ghi đè, mang lại nguy cơ hỏng hóc đáng kể.
Hiện tượng xảy ra trong quá trình ghi đè được gọi là sự cố điện môi phụ thuộc thời gian (TDDB). Vì đây là hiệu ứng phụ thuộc vào điện áp nên có thể thực hiện điều chỉnh để giảm điện áp và tăng tuổi thọ của thiết bị. Hoặc cũng có thể hiểu, khi điện áp thấp hơn thì độ bền công nghệ MRAM cao hơn.
Lưu trữ dữ liệu
Yếu tố chính chi phối mức độ lưu trữ dữ liệu trên MRAM đó là rào cản năng lượng. Ưu điểm của MRAM là khả năng lưu trữ dữ liệu là nó có thể được cấu hình trong 10 giây, 1 phút hoặc nhiều năm.
Ban đầu khi phát triển MRAM, vấn đề thách thức lớn nhất là không xử lý được các reflow cycle, khiến nhiệt độ lên tới 260 độ, khiến cho thiết bị khó duy trình ổn định trong thời gian dài. Vì vậy, sự ổn định nhiệt độ là yếu tố quan trọng phải cân nhắc khi muốn lưu trữ dữ liệu ngay cả khi mất điện. Ngoài ra, Từ trường và trường dị hướng cũng ảnh hưởng đến việc lưu trữ dữ liệu của MRAM.
Ưu điểm hạn chế của MRAM
Ưu điểm của MRAM
- MRAM có khả năng lưu trữ dữ liệu mà không cần cấp điện liên tục, dữ liệu không bị mất khi mất điện.
- Có tốc độ đọc – ghi nhanh hơn so với các loại bộ nhớ khác như SRAM và DRAM
- Tiêu thụ ít năng lượng
- Có khả năng chịu được hàng triệu/tỷ chu kỳ ghi/xóa mà không ảnh hưởng đến hiệu suất,
- Có thể được sản xuất ở kích thước nhỏ gọn, giúp tăng mật độ lưu trữ trong tương lai
- Có khả năng hoạt động trong dải nhiệt rộng và kháng từ, phù hợp sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt.
- MRAM không cần pin dự phòng để giữ dữ liệu, giúp giảm chi phí và độ phức tạp
Hạn chế của MRAM
- Chi phí sản xuất cao hơn so với các loại bộ nhớ RAM khác
- Dung lượng MRAM vẫn hạn chế
- Sản xuất hàng loạt còn khó khăn và phức tạp
- MRAM vẫn khó cạnh tranh được với các loại bộ nhớ khác mặc dù nó tiết kiệm năng lượng.
So sánh MRAM với SRAM và DRAM
Tính không bay hơi:
- MRAM: Không bay hơi, có thể lưu trữ dữ liệu ngay cả khi không có nguồn điện
- SRAM và DRAM: Mất dữ liệu khi không có nguồn điện
Tiêu thụ điện năng:
- MRAM: Tiêu thụ điện năng ít hơn DRAM, do không cần làm mới liên tục
- SRAM: Tiêu thụ ít điện năng khi so với DRAM nhưng cao hơn khi so với MRAM vì nó yêu cầu dòng điện liên tục để giữ trạng thái dữ liệu
- DRAM: Tiêu thụ điện năng nhiều nhất do phải làm mới dữ liệu liên tục
Tốc độ:
- SRAM: Có tốc độ nhanh nhất, sử dụng làm bộ nhớ cache cho CPU do khả năng truy cập dữ liệu ngay lập tức
- MRAM: Tương đượng với SRAM nhưng có lợi thế là không bay hơi
- DRAM: Chậm hơn do cấu trúc tụ điện, phải làm mới liên tục để giữ dữ liệu
Dung lượng
- DRAM: Dung lượng lớn và thường sử dụng làm bộ nhớ chính cho các thiết bị điện tử
- SRAM: Có dung lượng thấp, chỉ vài MB, được sử dụng làm bộ nhớ cache cho CPU
- MRAM: Dung lượng thấp hơn DRAM, nhưng có thể mở rộng trong tương lai
Độ bền:
- MRAM: Có độ bền cao hơn DRAM và SRAM, khả năng chịu được hàng tỷ chu kỳ ghi/xóa
- SRAM: Không giới hạn số chu kỳ ghi/xóa, nhưng dễ bị hỏng trong môi trường khắc nghiệt
- DRAM: Dễ bị hao mòn so với SRAM và MRAM do tần suất làm mới liên tục
Chi phí
- SRAM: Chi phí sản xuất cao do thiết kế phức tạp của các tế bào nhớ dựa trên transistor.
- MRAM: Có chi phí cao do công nghệ từ tính mới, có thể giảm chi phí khi sản xuất hàng loạt trong tương lai
- DRAM: Chi phí thấp hơn vì nó được sản xuất số lượng lớn, ứng dụng rộng rãi.
Ứng dụng
- MRAM: Phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu bộ nhớ nhanh, bền, không bay hơi
- SRAM: Dùng làm bộ nhớ Cache trong CPU, do tốc độ truy cập cực cao
- DRAM: Dùng làm bộ nhớ chính trong các thiết bị điện tử thông minh do dung lượng lớn, chi phí thấp.
Sử dụng MRAM trong những trường hợp nào?
- MRAM ứng dụng trong các hệ thống nhúng, nơi yêu cuầ bộ nhớ tốc độ cao, bền và tiết kiệm năng lượng. Điển hình như: Bộ điều khiển công nghiệp, thiết bị y tế, máy bay không người lái,…
- Ứng dụng trong các thiết bị IoT nhờ khả năng tiết kiệm năng lượng, duy trì dữ liệu không bay hơi. Điển hình các thiết bị như cảm biến thông minh, thiết bị nhà thông minh, hệ thống an ninh
- Có thể được sử dụng làm bộ nhớ cache trong các bộ vi xử lý hoặc thay thế SRAM do tốc độ cao, độ bền tốt. Hoặc có thể thay thế DRAM làm bộ nhớ chính, giảm tiêu thụ điện năng, cải thiện hiệu suất trong máy tính, máy chủ.
- MRAM phù hợp cho các ứng dụng trong ngành hàng không và không gian nhờ khả năng hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt
- Ứng dụng trong các hệ thống quân sự, an ninh, quốc phòng do tính ổn định cao và khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt như hệ thống radar, thiết bị liên lạc, máy tính trong quân sự,…
- Có thể được ứng dụng tích hợp trong ổ SSD hoặc làm bộ nhớ cache cho các thiết bị lưu trữ hiệu suất cao.
- MRAM có thể đóng vai trò là bộ nhớ nhanh và tiết kiệm năng lượng trong các thiết bị di động thông minh
- Có thể được dùng trong các thiết bị bảo mật như máy tính ngân hàng, các hệ thống bảo mật doanh nghiệp, thiết bị bảo mật cá nhân
- Phù hợp sử dụng trong các hệ thống tài chính yêu cầu tính khả dụng và bảo mật cao, hệ thống ngân hàng hoặc các máy chủ lưu trữ giao dịch có thể sử dụng MRAM để đảm bảo an toàn dữ liệu và tốc độ xử lý nhanh.
Kết luận
Trên đây, LANIT đã chia sẻ đến bạn thông tin về MRAM – Công nghệ bộ nhớ giúp lưu trữ dữ liệu ngay cả khi không có nguồn điện. Trong tương lai MRAM hứa hẹn ứng dụng nhiều trên thị trường nhờ ưu điểm về tốc độ cao, độ bền, tiết kiệm năng lượng và tính không bay hơi. Khi được sản xuất hàng loạt, đây được xem là giải pháp thay thế hoàn hảo cho các loại bộ nhớ khác như DRAM, SRAM, Flash, EEPROM,…Nếu bạn còn thắc mắc nào hoặc cần hỗ trợ khi mua VPS, liên hệ ngay LANIT nhé!
