解析新型存储介质MRAM

ssdfans 发表于 2018-04-16 11:01:21 收藏 已收藏
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解析新型存储介质MRAM

ssdfans 发表于 2018-04-16 11:01:21

我想各位肯定也有过类似经历:辛辛苦苦编辑的文档,由于没有及时保存,被突如其来的断电(熊孩子关机、跳闸、停电等),弄得你的工作付诸东流。

为什么数据没有保存,掉电就丢失了呢?因为我们编辑文档等操作,都是在内存中进行的。内存是挥发性介质,掉电后数据就丢失。而硬盘是非挥发性介质,数据一旦保存,即使遇到异常掉电情况,上电后数据还在。

内存(Memory)和硬盘(Storage),作为存储介质,由于不同的特性,它们之间的界限还是很明显的。内存由于其访问速度快的特点,用以存放程序运行代码和数据;硬盘(HDD或者SSD)由于其非挥发性特点,用以长久存放用户文件数据。有没有一种这样的存储介质,既具有内存速度快的特点,还具有硬盘非挥发性的特点?

有!今天我要介绍的MRAM就是这样一种新型存储介质。

什么是MRAM

何为MRAM? 百度百科是这样说的:

“MRAM(Magnetic Random Access Memory) 是一种非易失性(Non-Volatile)的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力,以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度,而且基本上可以无限次地重复写入。”

划重点:

MRAM是非挥发性介质;

MRAM是磁性随机存储介质;

MRAM具有RAM的读写速度;

MRAM可接近无限次写入。

MRAM特点

我们来看看MRAM有哪些特性。

首先看看MRAM有多快。

从上图可以看出,MRAM(Spin Torque MRAM)的读写速度跟DRAM差不多。3D-Xpoint、PCM等新型存储介质,在写速度方面跟MRAM相差二三个数量级。所有新型存储介质中,MRAM是唯一一个真正做到和DRAM一个级别访问速度的介质。

从上图我们还可以看到,MRAM非常耐写,1后面跟了很多很多0,可以认为是长生不老。

除此之外,MRAM还具有很好的数据保持性和宽的工作温度范围。

总结一下MRAM的特点:

基于闪存的SSD,由于每个block寿命有限,因此SSD固件需要做磨损均衡(wear leveling)算法。MRAM由于长生不老的特点,固件就无需实现wear leveling了。

闪存不能覆盖写(写之前需擦除block),因此SSD固件需要做垃圾回收。MRAM可以原地更新,因此不存在垃圾回收之说。

MRAM数据存储原理

我们知道(不知道的参看《闪存基础》),闪存数据存储在浮栅晶体管,通过往浮栅极注入电子的多少来表示逻辑“0”和“1”。

那么,MRAM存储原理是什么呢?

MRAM的存储单元是MTJ(“茅台酒”,Magnetic Tunnel Junction,磁性隧道结)+ 一个晶体管:

MTJ由三层组成:

最下面是自旋方向固定的一层(可以认为磁性方向固定),中间是隧穿层,最上面自由层的自旋方向可以发生变化,向左或者向右。当最上层自旋方向与最下层自旋方向一致时,MTJ具有低电阻;当最上层自旋方向与最下层自旋方向相反时,MTJ具有高电阻。因此,MRAM通过判断MTJ是低电阻还是高电阻,来感知“1”(低阻态)或者“0”(高阻态)。

写入数据的过程如下图,相互垂直的一系列电流相当于经纬线,通过严格控制电流,可以精准地在二者相交的地方产生合适的磁场,从而改变最上面一层自旋方向。

当最上层的(Free Layer)一旦自旋方向确定后,它不会因为掉电而发生自旋方向改变,因此,MRAM是非挥发性存储介质。

上面描述的其实是第一代MRAM,即Toggle MRAM。

Toggle MRAM可以有效抵抗高辐射以及高温环境,因此可以用于军事及航天领域。

但Toggle MRAM的缺点是:

功耗相对高;

集成度做不上去(尺寸越小,写干扰大)。

第二代MRAM叫做STT-MRAM, Spin-Transfer Torque MRAM, 其存储单元也是MTJ+一个晶体管。不过,MTJ的自旋方向是上下,而不是左右;另外,它写入方式与Toggle MRAM不同,STT-MRAM使用自旋极化的电流来控制最上层的自旋方向。

与Toggle MRAM相比,STT-MRAM具有以下特点:

速度更快;

更加节能;

集成度更高。

MRAM应用场景

MRAM兼有DRAM的访问速度和硬盘的非挥发性,它把内存和硬盘合二为一。

因此,它可以应用在任何需要快速访问(低延迟和高性能)但又希望掉电后数据不丢失的场合。

回到开头发生在我身上的那个场景,如果我电脑配了MRAM,那么即使熊孩子按了我电脑电源,开机后我未保存的文档还是在那的。

MRAM发展现状

家有熊孩子的朋友可能要问,这么牛逼的东西,哪里有得卖?

MRAM不是只存在实验室,Everspin公司已经实现量产,包括Toggle MRAM和STT-MRAM产品。

下面是MRAM和Everspin公司的发展历程。

另外,GlobalFoundries和三星也宣布了MRAM的产品计划。三星预计今年(2018年)年底就会出eMRAM(STT-MRAM)产品。

除此之外,还有其他一些公司也在开发MRAM芯片,其中就有我们熟知的IBM和Toshiba,以及不那么熟悉的Avalanche Technologies, Spin Transfer Technologies,Crocus等。

我没有MRAM的价格数据。但很显然,作为一种新型存储介质,刚上市价格肯定不便宜。

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