Tương lai của RAM: Bộ nhớ RAM từ điện trở

Phát triển các bộ nhớ không tự xóa dựa trên công nghệ spintronics là một chủ đề nghiên cứu mà tôi tham gia. Trong các loại bộ nhớ này, tôi đã từng giới thiệu về racetrack dựa trên điều khiển vách đômen. Ngoài racetrack, còn một thể loại bộ nhớ khác là bộ nhớ RAM từ điện trở – một linh kiện nhớ không tự xóa đang từng bước tiến tới thương phẩm. Ta biết rằng bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên (RAM) là phần tử nhớ không thể thiếu trong các máy tính hiện nay. Điểm kém của bộ nhớ RAM hiện nay là dữ liệu bị xóa mất sau khi ngắt nguồn điện và tốc độ truy nhập còn hạn chế. Bộ nhớ RAM từ điện trở (MRAM) đang được nghiên cứu mạnh mẽ và sẽ là một thay thế hữu hiệu cho RAM truyền thống. Tôi sẽ giới thiệu một cách sơ lược về loại linh kiện này. Thực chất bài viết này được viết lại từ chuỗi bài viết tôi từng viết trên diễn đàn Vật lý Việt Nam cách đây vài năm.

1. Sơ lược về hiệu ứng từ điện trở và MRAM

Bộ nhớ MRAM được mở đầu từ năm 1984 bởi 2 tiến sĩ Arthur Pohm và Jim Daughton lúc đó đang làm việc cho Honeywell, đưa ý tưởng về một loại bộ nhớ sử dụng hiệu ứng từ điện trở (Magnetoresistance Effect) cho phép tạo ra các bộ nhớ với mật độ lưu trữ thông tin cao, truy nhập ngẫu nhiên, và không tự xóa. Năm 1989, Daughton rời Honeywell và ý tưởng này bắt đầu được phát triển thành thương phẩm, đồng thời với sự nhảy vọt của hiệu ứng từ trở là sự phát hiện ra hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance – GMR) và từ điện trở chui hầm (Tunelling Magnetoresistance – TMR).

Thực chất hiệu ứng từ điện trở đã được nghiên cứu và sử dụng trước đó khá lâu, hiểu đơn giản là sự thay đổi điện trở suất trong chất rắn dưới sự tác dụng của từ trường. Trước đó, người ta thường ứng dụng hiệu ứng từ điện trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistance – AMR) trong các màng hợp kim Permalloy NiFe cho đầu đọc bộ nhớ và sensor từ. Để định nghĩa hiệu ứng từ trở, người ta đưa ra tỉ số từ trở:

MR(%) = (\rho(H)-\rho(0))/(\rho(0)) = ({R(H)-R(0))/(R(0))

Với ρ(H),ρ(0),R(H),R(0) lần lượt là điện trở suất, điện trở tại từ trường H và không có từ trường H=0

Hình 1. Hiệu ứng GMR: đường cong thay đổi điện trở theo từ trường ngoai trong cấu trúc siêu mạng Fe/Cr (Baibich et al. Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 2472).

Hiệu ứng GMR lần đầu tiên được phát hiện bởi nhóm của Fert năm 1988 (Baibich et al. Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 2472) trên các màng đa lớp siêu mạng Fe/Cr. Với các màng này, có thể cho tỉ số MR tới vài chục % và còn có thể lớn hơn, và được gọi là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (xem hình 1). Các nghiên cứu sau này đã chỉ ra rằng tên gọi “khổng lồ” không xuất phát từ giá trị lớn của MR mà xuất phát từ cơ chế tạo ra hiệu ứng GMR, đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử qua các lớp sắt từ. Như ta biết rằng, điện tử có spin, điện trở của một chất phụ thuộc vào sự tán xạ của điện tử trên: trên nút mạng tinh thể, trên các moment từ, và trên sai hỏng. Từ trường ngoài gây ra sự định hướng của các moment từ và do đó làm thay đổi sự tán xạ của điện tử trên các spin và đó là các hiểu đơn giản về hiệu ứng GMR.  Hiệu ứng từ điện trở chui hầm (Tunneling Magnetoresistance – TMR) lần đầu tiên được phát hiện bởi nhóm của J.S. Moodera của MIT (Moodera et al. Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 3273) năm 1995 trên màng đa lớp CoFe/Al2O3/Co (xem hình 2). Lớp cách điện Al2O3 đóng vai trò là lớp cho điện tử chui hầm từ các lớp sắt từ sang nhau và tán xạ trên các lớp sắt từ. Có thể nói hai phát hiện này là đóng góp quan trọng cho sự nhảy vọt của MRAM biến ý tưởng của Pohm và Daughton thành hiện thực và MRAM bắt đầu được nghiên cứu chế tạo thành thương phẩm ở quy mô lớn tại hầu hết các phòng thí nghiệm lớn trên thế giới.

Hình 2. Đường cong MR trong các màng CoFe/Al2O3/Co - Hiệu ứng từ điện trở chui hầm (Moodera et al. Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 3273).

Tuy nhiên, trong thế giới MRAM, hiệu ứng từ điện trở chui hầm được ưa chuộng hơn so với hiệu ứng GMR. Lý do là cấu trúc của GMR thuần các lớp kim loại, điện trở của linh kiện thường rất nhỏ nên tín hiệu sẽ không lớn. Trong khi ở các lớp tiếp xúc từ chui hầm, nhờ một lớp điện môi, điện trở của linh kiện trở lên lớn và tạo ra tín hiệu lớn hơn cho mạch điện.

2. Cấu trúc của MRAM

a) Ô nhớ cơ bản của RAM: Tiếp xúc chui hầm từ tính (Magnetic Tunnel Junction – MTJ)

Hình 3. Ô nhớ của MRAM và các bit (0), (1) tương ứng với trạng thái điện trở thấp và cao (J.P. Nozieres, Spintech, CNRS).
Hình 3. Ô nhớ của MRAM và các bit (0), (1) tương ứng với trạng thái điện trở thấp và cao (J.P. Nozieres, Spintech, CNRS).

Trong MRAM, thông tin không được lưu trữ bởi điện tích của điện tử như bộ nhớ bán dẫn mà được lưu trữ bởi spin của điện tử, mà cụ thể là theo sự định hướng của moment từ theo 2 chiều. Một ô nhớ cơ bản của MRAM được gọi là MTJ gồm 2 lớp từ tính kẹp giữa là một lớp cách điện mỏng (cỡ dưới nm) như hình 3. Moment từ của một lớp đóng vai trò lớp chuẩn, bị giữ cố định theo một chiều, còn moment từ của lớp còn lại như là lớp lưu trữ có thể đảo dưới tác dụng của từ trường từ song song đến phản song song với lớp chuẩn do đó dẫn đến sự thay đổi về điện trở của cấu hình (do sự tán xạ khác nhau của điện tử trong các trạng thái song song và phản song song). Các bit (0) và (1) được quy ước tương ứng với trạng thái điện trở thấp và cao. Trên thực tế, cấu trúc thực của một MTJ phức tạp hơn nhiều, mô hình trên chỉ là đơn giản hóa. Sự lưu trữ thông tin sau khi ngắt nguồn điện được xác lập nhờ sự giữ lại trạng thái của các moment từ (bản chất cố hữu của từ tính).

b) Thế hệ đầu tiên: Đảo từ nhờ từ trường ngoài (Field-Induced Magnetic Switching – FIMS)

Một MRAM hoàn chỉnh gồm các dãy 2 chiều các ô nhớ riêng biệt có địa chỉ riêng. Trong cấu trúc ngày nay, mỗi ô nhớ là sự kết hợp của một transitor CMOS với một tiếp xúc chui hầm từ và 3 mức thẳng (line levels) như hình 4.

Hình 4. Phương pháp đọc và ghi ở MRAM trong các cấy trúc phổ biến (a): Nguyên tắc đọc, (b) cách ghi trong cấu trúc FIMS, (c) cách ghi trong cấu trúc TAS, (d) cách ghi trong cấu trúc STT-RAM.
Hình 4. Phương pháp đọc và ghi ở MRAM trong các cấy trúc phổ biến (a): Nguyên tắc đọc, (b) cách ghi trong cấu trúc FIMS, (c) cách ghi trong cấu trúc TAS, (d) cách ghi trong cấu trúc STT-RAM.

– Khi đọc dữ liệu, một dòng xung công suất thấp sẽ đi vào qua cổng Control và mở transistor dẫn tới địa chỉ ô nhớ được chọn, điện trở của ô được xác định bằng cách điều khiển dòng qua “word line” qua tiếp xúc chui hầm từ và so sánh với ô lấy mẫu trong dãy (hình 4a).

– Dữ liệu được ghi theo nguyên lý từ trễ. Các “word line” và “bit line” sắp xếp qua 2 cực của tiếp xúc chui hầm từ và được hoạt động nhờ một dòng xung đồng bộ để tạo ra một từ trường tại địa chỉ ô nhớ. Cường độ dòng được chọn sao cho chỉ lớp nhớ của tiếp xúc từ có thể bị đảo từ còn các lớp lấy mẫu vẫn giữ nguyên trạng thái. Điều này có thể tạo được là do đặc tính của các cấu trúc nano.

Cấu trúc FIMS đã được sử dụng rất hiệu quả trong thế hệ MRAM đầu tiên. Tuy nhiên, nó có những hạn chế khi kích thước ô nhớ giảm xuống dưới 1 mm:

– Công suất ghi sẽ tăng lên do trường đảo từ tỷ lệ nghịch với kích thước của ô nhớ.

– Các lỗi lựa chọn ở chế độ ghi cũng tăng lên khi phân bố trường đảo từ SFD (Switching Field Distribution) có xu hướng tăng vọt lên.

– Sự bền vững của dữ liệu trong thời gian dài có nguy cơ bị tác động do sự tăng các tác động của kích thích nhiệt.

c). Thế hệ sử dụng chế độ đảo từ nhờ nhiệt (Thermally Assisted Switching – TAS)

Như vậy, giảm kích thước ô nhớ xuống dưới 1 mm là một thách thức cho MRAM. Một kỹ thuật ghi khác phát triển bởi SPINTECH (CNRS, France) có thể loại bỏ điều này là đảo từ nhờ nhiệt (TAS). Điều này thực hiện nhờ đặc tính phụ thuộc nhiệt độ của trường đảo từ trong các hạt nano. Trong chế độ TAS, các transistor CMOS sẽ mở ở chế độ ghi, và sẽ có một dòng xung ngắn chạy qua lớn tiếp xúc từ đồng thời với dòng xung tạo ra từ trường ghi và sinh ra nhiệt tại lớp rào thế chui hầm (như một điện trở) và nhanh tróng đốt nóng lớp kim loại của tiếp xúc từ. Kết quả là trường đảo từ bị giảm xuống tại lớp lưu trữ và cho phép ghi dễ dàng hơn

Cách này có nhiều ưu thế hơn so với phương pháp cũ:

– Lỗi địa chỉ bị giảm xuống do quá trình lựa chọn ghi lúc này hầu như bị điều khiển bởi nhiệt độ.

– Dù dòng đốt bổ sung, nhưng công suất ghi toàn thể có thể giảm giảm rất nhiều so với chế độ FIMS và hầu như không phụ thuộc vào kích thước ô nhớ.

– Tốc độ ghi được tăng lên do khả năng địa chỉ đồng thời (song song) với xác suất lỗi thấp.

– Sự bền nhiệt có thể cải tiến bằng cách thay thế các vật liệu có trường đảo từ lớn hơn tại nhiệt độ hoạt động.

d) Thế hệ sử dụng dòng phân cực spin cảm ứng (Spin-transfer torque MRAM)

Đây là phương pháp mới được phát hiện gần đây sử dụng nguyên tắc kiểu bộ nhớ RAM truyền thống như các flash RAM. Bức tranh đơn giản của STT-MRAM là khi dòng điện tử phân cực spin chạy qua vật liệu từ, các spin bị phân cực, ví dụ như sự mất cân bằng giữa spin up và down. Khi dòng điện đi vào các lớp từ tính khác, sự mất cân bằng spin này sinh ra các mômen xoắn tại các từ độ địa phương và có thể gây ra một sự đảo từ. Và đây chính là theo nguyên tắc spin-transfer torque mà tôi từng giới thiệu trong bài viết trước. Cách thức này có rất nhiều ưu thế:

– Không hề có lỗi địa chỉ

– Có thể nâng gấp đôi mật độ bộ nhớ

– Loại trừ sự ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước ô nhớ

– Giảm công suất đọc ghi

Tuy nhiên, phương pháp này mới đang được phát triển gần đây. Có thể nói, MRAM sẽ là một tiến bộ thay thế cho các bộ nhớ RAM truyền thống (SRAM, DRAM) với các ưu điểm:

– Mật độ cao (tăng dung lượng)

– Dữ liệu không bị xóa mất

– Tốc độ truy xuất cao hơn

– Công suất tiêu tốn giảm

– Không bị nhiễu bởi các tín hiệu điện từ trường bên ngoài.

MRAM chính là một sản phẩm của công nghệ spintronics, điều khiển các spin của điện tử trong các linh kiện mới mà những thành tựu của nó được phát triển từ các kết quả nghiên cứu về vật liệu từ nano (hiệu ứng từ điện trở, từ trễ…). Trong một tương lai không xa, bộ nhớ MRAM sẽ trở thành thương phẩm phổ biến thay thế cho các bộ nhớ cũ. Bảng dưới đây so sánh MRAM với các loại RAM truyền thống.

Bảng 1. So sánh các loại bộ nhớ RAM: MRAM và RAM truyền thống.

3. Vậy thử thách cơ bản của MRAM hiện nay là gì?

–          Làm sao giảm được mật độ dòng điện điều khiển nhằm giảm sự tiêu tốn năng lượng. Các linh kiện với cấu trúc ở thời điểm này đòi hỏi dòng điều khiển khá cao và hơi conflict với bài toán năng lượng;

–          Nâng cao tín hiệu từ điện trở: nâng cao tỉ số từ điện trở;

–          Công nghệ chế tạo rẻ tiền hơn. Công nghệ tạo hiện nay sử dụng quang khắc chùm điện tử là một công nghệ đắt tiền mà chậm chạp.

Liệu khi nào STT-MRAM sẽ trở thành thương phẩm? Trên thực tế một số hãng như Fujitsu, Motorola (nay là Freescale) đã từng giới thiệu một số sản phẩm thử nghiệm MRAM, nhưng để nó trở thành sản phẩm rộng rãi thì vẫn còn rất nhiều vấn đề cả về khoa học và công nghệ. Sản phẩm STT-MRAM gần đây nhất của Fujitsu khẳng định là vượt trội so với các bộ nhớ RAM hiện tại tới 60% nhưng Fujitsu cũng chưa khẳng định khi nào thế hệ này sẽ ra tới thị trường mà chỉ khẳng định nó còn trong giai đoạn R&D. Và mới đây, tập đoàn công nghệ Micron đã đầu tư một số tiền khá lớn vào Đại học Quốc gia Singapore và Viện Lưu trữ Thông tin (Data Storage Institute – DSI) với mục tiêu sớm đưa sản phẩm STT-MRAM ra thị trường. Hi vọng mục tiêu này sớm hoàn thành!!!

3 Comments

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s