用于空間應用的快速、大容量和耐用的 MRAM

    實時以及存儲和轉(zhuǎn)發(fā)機載處理應用程序越來越需要大量快速、非易失性存儲器。雖然太空級 NAND 閃存提供千兆位 (Gb) 和太位 (Tb) 存儲容量，但其速度、耐用性、數(shù)據(jù)保留以及錯誤位管理限制了它在具有特定壽命和操作占空比的任務(wù)中的使用。磁阻隨機存取存儲器 (MRAM) 有可能提供千兆字節(jié) (GB) 的快速非易失性存儲，而不受上述限制，從而支持下一代衛(wèi)星應用。
    傳統(tǒng)的 SRAM 將每個位存儲在一個鎖存器中，通常使用四個或六個晶體管來實現(xiàn)。太空級設(shè)備提供容量高達 32 Mb 的快速內(nèi)存。
    SDRAM 將每一位存儲為電容器內(nèi)的電荷，從而產(chǎn)生高密度設(shè)備，的符合空間要求的 DDR4 提供高達 48 Gb 的容量。電荷泄漏需要恒定的功率消耗來定期刷新電容器。
    SRAM 和 SDRAM 都是使用電子電荷存儲數(shù)據(jù)的易失性半導體技術(shù)。MRAM使用磁性元件存儲信息，提供固有的抗輻射性，提供SRAM的速度、接近DRAM的密度、閃存的非易失性、無限的讀/寫耐久性和始終高功率效率。
    MRAM 使用磁態(tài)和鐵磁材料的極化來寫入數(shù)據(jù)，并使用磁阻來回讀。如圖 1所示，每個存儲元件都由單個晶體管、磁性隧道結(jié) (MTJ) 存儲單元組成。MTJ 由固定磁性層、介電隧道勢壘和自由磁性層組成，自由磁性層可以使用磁場或施加極化電流來改變其方向。

    絕緣屏障薄至幾個原子層，當向 MTJ 施加外部偏壓時，電子隧道穿過通常絕緣的材料，從而改變其電阻。當兩層具有相同方向（即，MTJ 具有低電阻）時存儲邏輯零，當兩層具有不同方向（即高電阻）時存儲邏輯一。

    圖 1單個晶體管的示意圖，MTJ 單元 [Freescale]。
    數(shù)據(jù)以磁態(tài)而不是電荷的形式存儲，并通過測量其電阻而不干擾其極化來感測。這為空間應用提供了許多主要好處：
    磁性狀態(tài)不會隨時間泄漏，因此即使關(guān)閉電源，您的信息也會保留。
    兩種狀態(tài)之間的切換不涉及電子或原子的實際運動，因此不存在磨損機制。
    MRAM 不受輻射效應引起的位翻轉(zhuǎn) (SEU) 的影響，抗閉鎖能力高達 85.4 MeV/cm 2 /mg，測得的總劑量耐受性高達 1 Mrad(Si)。設(shè)備級別的支持電路需要額外的 RHBD 實踐，這因供應商而異，會影響實際的輻射硬度。
    數(shù)據(jù)在 +125°C 下保存 10 年，在 +85°C 下保存長達 1,000 年。
    如今，MTJ 的制造已集成到標準 CMOS 工藝中，從而可以經(jīng)濟地生產(chǎn)零件。對于傳統(tǒng)的閃存，耐久性指定了沒有不可恢復錯誤的程序周期數(shù)。每次擦除操作都會在存儲器單元結(jié)構(gòu)的氧化物中引入缺陷，這些缺陷會隨著時間的推移而累積，從而決定產(chǎn)品的使用壽命。在某些時候，磨損引起的錯誤會阻止閃存單元正常運行，使其無法使用。MRAM 不存儲電荷并使用磁態(tài)進行存儲：編程是通過脈沖電流通過 MTJ 實現(xiàn)的，通過自旋轉(zhuǎn)移力矩效應導致磁極化切換（向上/向下）。通過感測不同的 MTJ 電阻狀態(tài)來實現(xiàn)讀取。閃存的耐久度可以指定為105和 MRAM 為 10 16，某些實現(xiàn)具有非破壞性讀取、嵌入式糾錯和其他技術(shù)以增強可靠性。
    MRAM 提供 SRAM 的速度、接近 DRAM 的密度、閃存的非易失性、無限的讀/寫耐久性和低功耗。它非常適合需要非易失性查找表和系數(shù)的實時機載處理、在軌邊緣計算、啟動太空級基于 SRAM 的 FPGA 以及存儲多個配置圖像。事實上，由于這些原因，某些近幾代 MRAM 為統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)提供了可行的選擇，在設(shè)計階段實現(xiàn)了設(shè)計簡化和 SWAP-C 優(yōu)化，但也對下游測試和鑒定產(chǎn)生了影響。
    Avalanche Technologies 基于其專有的雙晶體管垂直 MTJ (pMTJ) 為空間應用提供一系列抗輻射 MRAM 解決方案，容量從 1 到 8 Gb，具有 16/32 位并行或串行（雙 QSPI）接口。到 2022 年底，該公司預計將添加 16Gb DDR3 選項以用作持久性 DRAM。
    可以從 Avalanche網(wǎng)站申請開發(fā)套件，可以使用 IBIS 和 Verilog 模型，還可以NASA 總結(jié)輻射測試的論文。在歐洲，耐輻射部件通過Protec Semiconductor采購，在北美則從Falcon Electronics采購?？蓱筇峁┮淮O(shè)備的輻射和已簽署的 NDA。

    Avalanche 的（第 3 代）并行接口設(shè)備提供高達 4 Gb 的容量，并采用 15 x 17 毫米、142 球 FBGA 封裝，額定溫度范圍為 -40 至 +125°C。在相同溫度范圍內(nèi)，D-QSPI 部件也可在 88 球 FBGA 中提供高達 8 Gb 的容量。1 Gb 部分如圖 2所示。

    圖 2第 3 代，32 位并行接口，1 Gb MRAM 部件。

    如圖3所示，3V3/1V8 Gen. 2、容量高達 64 Mb 的 16 位并行部件可用于 10 x 10 mm、48 球 FBGA，額定溫度范圍為 -40 至 +125°C。串行 QSPI 設(shè)備也可提供高達 16 Mb 的 5.28 x 5.23 毫米、8 引腳 SOIC。

    圖 3第 2 代串行接口 MRAM 部件。
    Avalanche Technology 提供的太空級設(shè)備采用高溫塑料封裝，使用 JEDEC 流程和 48 小時老化。擴展溫度、封裝（例如，裸片、密封等）和流程的其他選項由供應商提供比如微信。
    直到下個月，個告訴我為什么 MRAM 是一種低功耗內(nèi)存技術(shù)的人將贏得一件Courses for Rocket Scientists World Tour T 恤。