MRAM与FRAM技术比较

Posted 2021-03-06

MRAM技术

MRAM或磁性随机存取存储器使用1晶体管–1磁性隧道结（1T-1MTJ）架构，其中铁磁材料的磁性“状态”作为数据存储元素。由于MRAM使用磁性状态进行存储（而不是随时间推移而“泄漏”的电荷），因此MRAM可以提供非常长的数据保留时间（+20年）和无限的耐用性。切换磁极化（Write Cycle）是在电磁隧道结（MTJ）上方和下方的导线中产生脉冲电流的结果（见图1）。

图1：磁性隧道结（MTJ）

电流脉冲带来的相关H场会改变自由层的极化铁磁材料。这种磁性开关不需要原子或电子的位移，这意味着没有与MRAM相关的磨损机制。自由层相对于固定层的磁矩改变了MTJ的阻抗（见图2）。

图2：MRAM磁性隧道结（MTJ）存储元件

阻抗的这种变化表示数据的状态（“1”或“0”）。感应（读取周期）是通过测量MTJ的阻抗来实现的（图3）。MRAM器件中的读取周期是非破坏性的，并且相对较快（35ns）。读取操作是通过在MTJ两端施加非常低的电压来完成的，从而在部件使用寿命内支持无限的操作。

图3：MRAM读写周期

FRAM技术

FRAM或铁电随机存取存储器使用1个晶体管–1个铁电电容器（1T-1FC）架构，该架构采用铁电材料作为存储设备。这些材料的固有电偶极子在外部电场的作用下转换为相反极性。改变铁电极化态需要偶极子（位于氧八面体中的Ti4+离子）移动（在Pb（Zr，Ti）O3的情况下）对电场的响应（图4）。自由电荷或其他随时间和温度累积的离子缺陷会阻止这种运动，这些缺陷会导致偶极子随时间松弛，从而导致疲劳。

图3：FRAM原子结构 图4：FRAM数据状态

FRAM中的读取操作具有破坏性，因为它需要切换极化状态才能感知其状态。在初始读取之后，读取操作必须将极化恢复到其原始状态，这会增加读取时间的周期。

图5：FRAM读/写周期

FRAM的读和写周期需要一个初始的“预充电”时间，这可能会增加初始访问时间。