Опубликован: 16.01.2014 | Уровень: для всех | Доступ: платный
Лекция 11:

Новейшие наноразмерные технологии записи на магнитные диски. Магниторезистивная память

< Лекция 10 || Лекция 11: 12345 || Лекция 12 >

Магниторезистивная оперативная память с произвольным доступом

Нанозернистые ферромагнетики успешно используют для записи и считывания больших компактных массивов информации не только на магнитных дисках, но и в оперативной памяти ЭВМ.

Элементарная ячейка новейшей магнитной памяти

Элементарной ячейкой такой памяти чаще всего является многослойная структура ( рис. 11.9), в которой объединены ферромагнитный запоминающий элемент и туннельный магниторезистивный датчик.

Слева – структура элементарной ячейки магнитно-резистивной оперативной памяти с произвольным доступом; справа –  типичная зависимость ее электрического сопротивления от внешнего магнитного поля

Рис. 11.9. Слева – структура элементарной ячейки магнитно-резистивной оперативной памяти с произвольным доступом; справа – типичная зависимость ее электрического сопротивления от внешнего магнитного поля

Ферромагнетик запоминающего слоя, хотя и имеет коэрцитивную силу, достаточную для того, чтобы долго сохранять записанную информацию, все же может быть перемагничен сильным внешним магнитным полем. Его в публикациях, касающихся магниторезистивной памяти, обычно называют "свободным" ферромагнитным слоем. А магнитожесткий слой выполняет функцию постоянного магнита, его коэрцитивная сила намного больше, и направление намагниченности даже в сильных полях остается неизменным. Соответственно его обычно называют "фиксированным" ферромагнитным слоем. На графике справа приведена типичная зависимость электрического сопротивления такой ячейки от напряженности внешнего магнитного поля. Когда запоминающий слой намагничен противоположно к фиксированному ферромагнитному слою, то электрическое сопротивление ячейки велико. Когда же внешнее магнитное поле превышает коэрцитивную силу запоминающего слоя, то он перемагничивается, электрическое сопротивление ячейки резко падает, оставаясь таким же низким и после исчезновения внешнего магнитного поля. Это и позволяет в любой момент проверить, в каком состоянии ("0" или "1") находится запоминающий элемент ячейки.

Оперативную память, построенную из таких ячеек, в англоязычных источниках называют MRAM (magnetoresistive random-access memory). В отечественных публикациях ее также часто именуют "магниторезистивной памятью", хотя это и не совсем точно. Ведь информация (направление намагниченности) запоминается и сохраняется именно в ферромагнитном запоминающем слое, а совсем не в магниторезистивном датчике. Поэтому точнее было бы называть такой вид памяти "магнитным оперативным запоминающим устройством" (МОЗУ). Но такое название уже было в истории развития вычислительной техники: так продолжительное время называли ОЗУ на миниатюрных ферритовых кольцах, о которых мы упоминали в предыдущей лекции. Чтобы не создавать почвы для путаницы, мы также будем называть такой вид памяти магниторезистивным оперативным запоминающим устройством или магниторезистивным ОЗУ (МРОЗУ).

Матричная организация МРОЗУ

Магниторезистивные ячейки типа изображенной на рис. 11.9 в принципе могут быть очень малыми (до 10 нм) и довольно плотно упакованными. Однако из-за необходимости произвольного доступа к каждой из них при считывании и для записи информации реально обеспечить наибольшую плотность упаковки далеко не просто. Обычно используют матричную организацию, когда ячейки памяти размещают на пересечениях двух взаимно перпендикулярных систем шин-электродов ( рис. 11.10).

Организация матрицы магниторезистивного ОЗУ

Рис. 11.10. Организация матрицы магниторезистивного ОЗУ

Одну из этих систем шин подключают к выходам дешифратора адреса. Это – адресные шины, которые иногда называют еще "шинами выбора слова" или "словарными шинами". Когда на дешифратор ОЗУ подается код адреса, дешифратор активирует лишь одну из этих шин, порядковый номер которой соответствует заданному адресу. Перпендикулярные разрядные шины соответствуют отдельным битам (разрядам) выбранного слова, которое считывается или записывается. Поэтому эти шины иногда называют также и "битовыми".

Для адресной матричной выборки отдельных ячеек памяти важна ориентация оси легкого намагничивания запоминающего слоя. Используемая ориентация оси легкого намагничивания в ячейках памяти относительно системы шин показана на рис. 11.11. Эта ось образует с каждой системой шин угол 45^{\circ}.

Ориентация  ячеек памяти относительно шин в матрице магниторезистивного ОЗУ

Рис. 11.11. Ориентация ячеек памяти относительно шин в матрице магниторезистивного ОЗУ

Принципиальная схема формирования выходных сигналов в режиме считывания показана на рис. 11.12. На дешифратор Дш подается n-разрядный двоичный адрес того слова, которое надо считывать. Соответственно этому адресу Дш "выбирает" одну из 2^n шин, например, і-ю адресную шину и подает на нее напряжение считывания U_{\text{СЧ}}. Величина электрического тока, который течет при этом в каждую разрядную шину, зависит от записанной в соответствующий разряд информации. Через те ячейки памяти, сопротивление которых велико, течет сравнительно малый ток, а через те, сопротивление которых мало, – сравнительно большой ток.

Каждая разрядная шина соединена со своей схемой усиления и формирования сигнала считывания (УФ1, УФ2, УФ3, ... , УФm), с выходов которых параллельно считывается записанное в памяти m-разрядное двоичное слово.

Усложняющим обстоятельством является то, что к каждой разрядной шине, кроме выбранной ячейки памяти, подключены еще (2^n-1) ячеек. Если соответствующие "не выбранные" шины слова находятся под потенциалом "земли", то суммарное сопротивление этих ячеек (все они подключены параллельно) при n = 10-16 оказывается малым и шунтирует битовые шины на "землю". Чтобы этого не произошло, дешифратор Дш должен отсоединять не выбранные в данном такте шины как от источника напряжения, так и от "земли". Однако возникает заметная "паразитная" емкость, которая должна заряжаться током считывания, что удлиняет время считывания.

Принципиальная схема считывания информации из матрицы магниторезистивного ОЗУ

Рис. 11.12. Принципиальная схема считывания информации из матрицы магниторезистивного ОЗУ

Запись информации производится по разрядам. Принципиальная схема записи показана на рис. 11.13. К началу записи на дешифратор Дш подается n-разрядный двоичный адрес того слова, которое надо записать, а в регистр записываемого слова – его двоичный код. В соответствии с заданным адресом Дш "выбирает" одну из 2^n шин, например, і-ю адресную шину и открывает соответствующий вентиль (напр., МДП транзистор). Через него в шину выбранного слова подается импульс электрического тока І_{\text{зап}} от источника тока записи (ИТЗ). Направление этого тока определяется тем, какой бит ("0" или "1") надо записать. Регистр записываемого слова поочередно посылает сигналы на источник тока каждой разрядной шины (ИТ1, ИТ2, ... , ИТm), под действием которых в разрядную шину подается импульс тока того или иного направления.

Процесс записи иллюстрирует рис. 11.14. На нем слева ( рис. 11.14.а) показана матрица магниторезистивной памяти. Стрелками показаны направления протекания электрического тока сквозь выбранные разрядную и адресную шины. Штриховыми линиями условно изображены силовые линии магнитного поля соответствующих токов.

Принципиальная схема записи информации в матрицу  магниторезистивного ОЗУ

Рис. 11.13. Принципиальная схема записи информации в матрицу магниторезистивного ОЗУ
а) Запись информации в выбранную ячейку памяти  магниторезистивного ОЗУ; штриховыми линиями показаны силовые линии магнитного поля, создаваемого токами. б) Векторное сложение магнитных полей при записи "0" и "1"

Рис. 11.14. а) Запись информации в выбранную ячейку памяти магниторезистивного ОЗУ; штриховыми линиями показаны силовые линии магнитного поля, создаваемого токами. б) Векторное сложение магнитных полей при записи "0" и "1"

На выбранную ячейку памяти эти магнитные поля действуют одновременно. Векторы их напряженности \overrightarrow{H}_P и \overrightarrow{H}_A взаимно перпендикулярны. На рис. 11.14.б показан результат сложения этих векторов (\overrightarrow{H}_{\textit{СУМ}}) в запоминающем слое при противоположных направлениях тока (вид сверху). Через \overrightarrow{B} обозначено направление намагниченности магнитожесткого (фиксированного) слоя ячейки. В одном случае электрические токи перемагничивают запоминающий слой параллельно \overrightarrow{B}, а при противоположных направлениях токов – антипараллельно \overrightarrow{B}. Величина токов записи должна быть выбрана так, чтобы магнитное поле, созданное лишь одним из токов, было недостаточным для перемагничивания ячеек, прилегающих к соответствующей шине. И только действуя вместе на выбранную ячейку памяти, эти токи должны создавать суммарное магнитное поле \overrightarrow{H}_{\textit{СУМ}}, превышающее коэрцитивную силу и перемагничивающее запоминающий слой в нужном направлении.

Усложняющим обстоятельством является то, что к каждой адресной шине подключены еще (m-1) не выбранных ячеек, а к каждой разрядной шине – еще (2^n-1) не выбранных ячеек. И эти наборы ячеек соединяются между собой через остальные (2^n-1)(m-1) не выбранных ячеек. Это приводит к тому, что заметная часть токов записи неконтролированно вытекает из выбранных шин через эти "паразитные" связи.

< Лекция 10 || Лекция 11: 12345 || Лекция 12 >
Ольга Клюева
Ольга Клюева

Некорректно сформулированные задания. Нужна помощь в выполнении

Несибели Спандияр
Несибели Спандияр
Казахстан, Алматы, КазНАУ
Юлия Яцуненко
Юлия Яцуненко
Россия, г. Махачкала