MRAM Nedir?

MRAM Nedir? Manyetik dirençli rasgele erişimli bellek (MRAM), verileri manyetik alanlarda depolayan bir tür kalıcı olan rasgele erişim belleğidir.

Bu yazıda okuyacağınız içeriğin listesi:

• 1. MRAM nedir?
• 2. MRAM Nasıl Çalışır?
• 3. MRAM Tasarım ve Oluşturma
• 4. MRAM’ın Temel Özellikleri
• 5. MRAM, Edge Computing’in geliştirilmesine nasıl yardımcı olabilir?
• 6. MRAM Teknolojisi için Kullanım Durumları ve Hedef Uygulama
• 7. Sonuç

Makine öğrenimi veya yapay zeka gibi hemen hemen her ileri teknolojide, değişmeyen bir bileşen bellektir türüdür. Uygulama geliştirme ve ağ teknolojileri sürecinde belleğin oynadığı rol çok büyük.

Güncel bir örnek verecek olursak , mobil cihazlar için 5G bağlantısı ancak bellek uç noktalarında işlendiğinde mümkündür. Aynısı, geliştirilmekte olan birçok IoT projesi için de söylenebilir.

Bellek şüphesiz gelecekteki AI(yapay zeka) çıkarım motorlarına yardımcı olacak. Cihaz özelliklerinin birçok başarılı üretim ve test modülünün nedeninden biri olacaktır.

MRAM verimleri diğer yarı iletken teknolojilerinden farklıdır ve çeşitli sektörlerde yavaş yavaş SRAM’ın yerini almaktadır. Bu nedenle lider bir bellek teknolojisidir ve geniş ticari kullanılabilirlik için mükemmeldir.

Birçok kişi genellikle MRAM’in tüm uygulamalar için yapıldığını düşünür, ancak bu tamamen yanlış yorumlanır, çünkü amaçlanan amacına ulaşmak için ince ayar ve yeniden tasarımlara ihtiyaç duyar. Kişi daha fazla dayanıklılık ve hıza sahip bir cihaz kullanmak isterse, daha yüksek dayanıklılık ve hız için elde tutma ticareti yaparak MRAM kullanılabilir.

Tasarımcılar, kritik manyetik tünel bağlantısını (MTJ) değiştirerek büyük bir etki yaratabilirler. Hız, dayanıklılık ve veri saklamayı dengelemenin bir yolunu bularak ilgili hedef pazarlarında başarıya ulaşabilirler. Bu yazıda, MRAM teknolojisini çevreleyen bazı önemli hususlara derinlemesine gireceğiz.

MRAM nedir? 

Manyetik RAM veya Manyeto-dirençli RAM, rastgele erişimli belleğin yeni bir şeklidir ve teknolojik değişiklikler onu kalıcı hale getirdi. Uçucu olmayan elektronik bileşenleri duyduğumuzda, bu yalnızca tek bir anlama gelir: veri saklama.

Evet, verileri saklayabilir ve bilgileri saklayabilir. MRAM ve sıradan RAM arasında gözlemlediğimiz tek fark, elektrik yerine manyetik yüklerdir. Verileri tutmak için sürekli bir güç akışına ihtiyaç duymadıklarından, MRAM’ı mobil ve diğer bilgi işlem cihazlarının tasarımcıları için daha avantajlı hale getirir.

Sonuç olarak, bu teknolojinin üretim maliyeti, diğer bellek teknolojilerine kıyasla önemli ölçüde düşüktür. FLASH ve EEPROM’u içeren diğer tüm teknolojilerden daha hızlı olduğu için hız da MRAM’da çok önemli bir faktördür.

Bu sağlam ve üst düzey teknoloji, son on yılın daha iyi bir bölümünde mevcut olsa da, üretim ancak şimdi büyük hacimlerde gerçekleşiyor.

MRAM Nasıl Çalışır? 

MRAM’ın işlevselliği söz konusu olduğunda, DRAM’den farklıdır ve süreçte bazı kuantum fenomenlerini takip eder. MRAM, gelen ışık darbelerinin bir mi yoksa sıfır mı içerdiğini doğrulamak için elektrik yüklerini kullanmaz; ferromanyetik malzemeden yapılmış metal bir plaka kullanır.

Her iki plakayı ayıran ve yalıtım katmanı görevi gören ince bir astar vardır. Şimdi MRAM, manyetik alanların yönünü dikkate alarak ikili değeri belirler. Ferromanyetik plakalardan biri başlangıçtan itibaren manyetize olmaya devam eder ve diğeri herhangi bir anda manyetize olabilir veya edilemez.

Ferromanyetik plakalar ve bir yalıtım katmanından oluşan yapıya manyetik tünel bağlantısı (MJT) denir. Bundan daha önce bahsetmiştik ve genel MRAM işlevselliği üzerinde büyük bir etkisi olabileceğini söylemiştik.

Temel yapı olan MJT, elektron tünelleme adı verilen bir kuantum fenomeni üzerinde çalışır. Bu basitçe, plakadan gelen elektronların karşı plakaya göç edeceği ve bunu bir yalıtım katmanı kullanarak yapacağı anlamına gelir. Yalıtım tabakası ile kalınlık düşük olduğundan, elektronlar diğer plakaya kolayca yolunu bulur. Bu işlemin yüksek düzeyde gerçekleşmesi için belirleyici faktör plaka yönlendirmesidir. Plakalar paralel bir şekilde yönlendirilirse, elektron tünellemesi meydana gelir ve bağlantının elektrik direncinde bir değişiklik gözlemleyebiliriz. Bu değişiklik sonunda ikili bitin bir mi yoksa sıfır mı olduğunu bize bildirecektir.

Vurgulanması gereken bir diğer önemli nokta, MRAM’in aşınma ve yıpranmaya dayanabilmesidir. Flash belleğin aksine, fiziksel kütle zarar görmeden bozulmaz.

MRAM Tasarım ve Oluşturma 

MRAM’in büyük hacimlerde üretilmesi on yıla yakın bir zaman aldı ve bu kadar uzun sürmesinin ana nedeni, hiç kimsenin basit imalata izin veren bir yapı veya tasarım bulamamış olmasıdır. Optimum MRAM yapısını elde etmek için üreticiler birçok tasarım ve malzeme denedi. Yine de, o zaman hiçbir şey işe yaramış gibi görünmüyordu. Böyle bir erken aşama tasarımı, metalden yapılmış sekiz farklı gölge maskesi kullanılarak yapıldı ve hepsi bilgisayar kontrollüydü. Şu anda tasarım, ince bir Alüminyum katman içeriyor ve üreticiler tünel bariyerini oluşturmak için yerinde plazma oksidasyon yöntemini kullanıyor. Bu yapı nihayet herkesi tatmin etti çünkü direnç seviyelerindeki değişimler görüldü.

MRAM’ın Temel Özellikleri 

Herhangi bir kalıcı belleğin özellikleri aynı kalır ve bunlar: okuma hızı, yazma hızı, veri saklama ve dayanıklılıktır. Bu dördü herhangi bir kalıcı bellek teknolojisi için değişmeyecektir ve tasarımcılar için bilmeleri esastır. MJT ve çevresindeki devreleri tasarlar.

Dört parametre bu nedenle ve termal dalgalanmalar veya başka bir rahatsızlıkla karşı karşıya kaldığında devrenin gerekli akımı ve kararlılığını belirlemek için önemlidir. MRAM’ın özellikleri, bir MJT tasarımının toplam optimizasyonunu elde etmek için birçok yönden yardımcı olur.

Her bir özelliğe bakalım ve MRAM teknolojisi için optimum yapıya ulaşmaya nasıl katkıda bulunduklarını anlayalım.

Yazma Hızı 

MRAM’de yazmak basit bir süreç değildir ve birçok şeyin doğru gitmesi gerekir. MRAM’ın çalışmasını çevreleyen ana fikir, serbest katmana aktarılan elektronun torkudur. Sürekli bir süreç olmasına rağmen, başlamak için hala birkaç elektron gerekiyor.

Termal dalgalanmalardan kaynaklanan sapmaya bağlı olduğundan, MRAM’a yazmanın başlaması her programlandığında değişir. Başlatma hızı, cihazın değişmesinin ne kadar zaman alacağını belirleyecektir. Tahmin edilemez çünkü sistem içinde bazı bitler diğerlerinden daha hızlı yazılabilir ve programlanabilir.

Tekrarlanan bir küme ise, daha iyi başlama oranları bekleyebiliriz. Yazmaya yardımcı olmanın bir başka yolu da cihazı termal olarak kararsız hale getirmek için belirli malzemeleri kullanmaktır. Cihazın kendi kendine dalgalanmasını sağlamak için manyetik sönümleme de yapılabilir. Yazma hızıyla ilgili olan şey, çok yükselirse MJT’nin çok fazla aşınma ve yıpranma yaşamasıdır.

Esas olarak STT MRAM için geçerlidir. SOT MRAM teknolojisini kullanıyorsanız, akım MTJ’den geçmediği ve katmanlara paralel farklı bir yoldan geçtiği için cihazın dayanıklılığı konusunda endişelenmenize gerek yoktur.

Okuma Hızı 

Okuma hızı yazma hızına benzemez çünkü kontrol edilme şekli tamamen farklıdır. Okuma hızını artıran veya azaltan iki ana faktör manyeto direnç ve bellek penceresidir. Belleğin sıfır ve bir durumları birbirinden çok uzaksa ve polarizasyon normalden yüksekse, MRAM okumak kolaylaşır.

Algılama yükseltici akımı devreye hızlı bir şekilde dahil edebiliyorsa, okuma hızı daha yüksek olacaktır. Okuma hızı durumunda bile, uyulması gereken bazı sınırlamalar vardır. Gelen akım standart sınırdan yüksekse, okuma hızı yazma hızı olarak hareket edebilir. Yazma hızından farklı olarak, SOT MRAM için okuma hızı değişmeyecek ve akım doğru yönetilmezse yazma hızına benzer şekilde davranacaktır.

Dayanıklılık 

Elektronlar karşıt plakaya ulaşmak için tünelden çıktıklarında, ince yalıtım katmanının aşınmasına katkıda bulunur. Aynı şey flash bellek için de söylenebilir. Bu işlem birden çok kez gerçekleştiğinde, geçersiz kılma etkisi olarak adlandırılır. Önemli bir tam bozulma riski getirir.

Üzerine yazma sırasında meydana gelen olaya zamana bağlı dielektrik bozulma veya TDDB denir. Bu voltaja bağlı bir etki olduğu için voltajı düşürmek ve bir cihazın ömrünü uzatmak için ayarlamalar yapabiliriz. Basit bir ifadeyle, daha düşük voltajlar, MRAM teknolojisi için daha yüksek dayanıklılık anlamına gelir.

Veri saklama

MRAM teknolojisinde veri saklama düzeyine hakim olan önemli bir faktör, enerji engelidir. MRAM’in veri saklama açısından en iyi yanı, on saniye, dakika ve hatta yıllarca yapılandırılabilmesidir.

MRAM veri saklama, yeniden akış döngülerini işlemediği için geliştirmenin ilk günlerinde büyük bir zorluktu. Sıcaklıklar 260 dereceye kadar çıkabiliyordu ve cihazın uzun süre stabil kalması zordu.

Bu nedenle, güç kesildikten sonra bile verileri saklamak isteyip istemediğinizi dikkate almak için sıcaklık kararlılığı çok önemlidir. Veri saklamayı etkileyen diğer faktörler manyetik alan ve anizotropi alanlarıdır.

MRAM, Edge Computing’in geliştirilmesine nasıl yardımcı olabilir? 

Edge bilişim hakkında konuştuğumuzda, sadece Nesnelerin İnterneti (IoT) ile sınırlı değil, tıp, robotik ve yapay zeka gibi alanlarda başka birçok uygulama var. Sınır bilişim kapsamındaki tüm bu uygulama kategorileri, MRAM kullanımından yararlanabilir.

Her uç bilgi işlem cihazı için faydalıdır çünkü yüksek hızlı, düşük gecikmeli ve uygun maliyetli bellek isterler. Piyasada başka alternatifler varken, herkes sadece MRAM teknolojisini kullanıyor. Bunun nedeni, diğer bellek teknolojilerinde birden fazla alanda ödün vermemiz gerektiğidir. Yani dayanıklılığınız varsa hız ve veri saklama alamayabilirsiniz.

Tasarımcılar için tek optimal seçim, MRAM teknolojisini kullanmaktır. MRAM ile sızıntı da düşüktür ve yazma döngüsü sayısı yüksektir, bu nedenle her MRAM teknolojisi alanında tasarımcılar, ileri uç bilgi işlem için en uygun koşulları elde eder.

MRAM Teknolojisi için Kullanım Durumları ve Hedef Uygulama

MRAM teknolojisinin temel olarak farklı alanları ve cihaz gereksinimlerini vurgulayan dört hedef uygulaması vardır. Her uygulamada mükemmelliğe ulaşmanın karmaşıklığı, bağımsız bellekten son düzey önbelleğe yükselir. İlk uygulama, pil destekli SRAM ve DRAM’a odaklanan cihazlarla ilgilidir. Bazıları ayrıca sabit disk kullanır. Sıradaki gömülü MRAM’dir ve daha çok SoC’lere odaklanır.

Bu uygulamada MRAM, sistem çipini devralır ve NOR flash belleğin yerini alır. MRAM’in NAND flaş konumunu devralamayacağını unutmamak önemlidir. Bu, CMOS’un yardımıyla sağlam, ekonomik bir entegrasyon gerektirecektir.

Üçüncü ve dördüncü uygulamalar yalnızca SRAM’a odaklanır. Mobil önbellek ve son seviye önbellek, düşük güç elde edilmesine yardımcı olur. Mobil önbellekte, SRAM ve flash belleğin uygun bir birleşimini görüyoruz. Küçük bir MRAM bloğunda depolandığından, yalnızca taşınabilir veya küçük IoT cihazlarıyla sınırlıdır. Son uygulamaya gelince, son seviye önbellek, performans gereksinimlerinin yüksek olması nedeniyle hala elde edilememiştir. Şu anda mevcut değil veya kullanımda değil, ancak birkaç yıl içinde gelmesini bekleyebiliriz.

MRAM teknolojisinin kullanım durumları çoğunlukla IoT ve AI alanında devam ediyor. MRAM kullanılarak her gün görülen bir kullanım örneği veri kaydıdır. Hastanelerde RFID etiketlerinin çalışanların verilerini tarayarak farklı bir cihaza kaydettiğini görüyoruz. Veri kaydından sorumlu kişiler, uzun vadeli veri birikimini güvence altına almak için en az iki megabit MRAM kullanır.

MRAM teknolojisinin hızını uygulayan bir kullanım durumu, verileri tarayan ve kalıpları tanımlayan uç cihazlara aittir. Bu işlem yüksek işlem hızı gerektirir ve MRAM talepleri her şekilde karşılar.

MRAM teknolojisini uygulayan son kullanım durumu sağlık cihazlarına aittir. Bu cihazlar hastane ortamında kullanıldığı için yüksek dayanıklılık gerektirir. Ayrıca radyasyona karşı bağışık bir teknolojiye ihtiyaçları var. MRAM, hem talepleri karşılar hem de RFID’ler, sarf malzemelerini izlemek ve tıbbi ekipmanı tanımlamak için harika bir şekilde yardımcı olur.

Çözüm

MRAM teknolojisi, toplam güç tüketimini azaltmak için yakında birçok üretim birimini devralacak. Güç, tasarım için çok önemli bir parametredir ve MRAM, herhangi bir özel uygulama tasarımına entegre edilmesini kolaylaştırır. Dört özellik herhangi bir senaryoda dengelenebilir ve genel performansı artırmak için herhangi bir alandan vazgeçmemiz gerekmeyecektir.

MRAM’de iyileştirme için daha fazla alan vardır ve diğer bellek teknolojileri ek enerji tasarrufu sağlamaz. MRAM, bunu bir güç geçiş sistemi mimarisi kullanarak sağladı. Güç daha fazla, hız daha fazla, dayanıklılık daha fazla. Bu nedenle, MRAM teknolojisi, geleneksel bellek teknolojilerinden daha güvenilirdir.