磁性隨機存取存儲器(MRAM)是一種非易失性存儲器技術，正在作為一種主流的數(shù)據(jù)存儲技術被業(yè)界所廣泛接受。它集成了一個磁阻器件和一個硅基選擇矩陣。MRAM的關鍵屬性有非易失性、低電壓工作、無限次讀寫的耐用性、快速讀寫操作，并且作為后端技術而容易集成。這些特性使得MRAM有可能替代各種應用中的許多類型存儲器。
在最簡單的實現(xiàn)中，一個MRAM單元由連接著一個選擇晶體管的磁性隧道結(MTJ)組成。磁性隧道結有兩個磁層組成，中間用一個很薄的氧化隧道勢壘隔開。其中一個磁層有固定的磁方向，被稱為參考層(FR)，另一個稱為存儲層(SL)，它可以從一個方向切換到另一個方向。存儲比特的阻抗是低是高取決于存儲層相對于固定參考層的磁方向，即平行或反平行。要讀取一個比特時，選擇晶體管導通，有個小的讀取電流流經(jīng)隧道結，如圖1所示。然后將結點阻抗的值與位于高低阻抗值之間一半的參考阻抗進行比較。
圖1：(a)第一代MRAM中使用的傳統(tǒng)架構在正交寫入線的交叉點和選擇晶體管頂部包含MTJ單元。(b)最小磁滯回線的原理圖顯示存儲層的反轉和兩個對應的阻值：高“1”和低“0”。傳統(tǒng)MRAM架構中使用的讀取(c)和寫入機制(d)。在讀取時，選擇晶體管處于導通狀態(tài)，有個小的電流流經(jīng)MTJ堆棧，允許其阻抗的測量。在寫入時，選擇晶體管處于斷開狀態(tài)，2個正交磁場的組合確保了選擇性。
圖2：傳統(tǒng)MRAM架構(a)和TAS-MRAM架構(b)中的寫入過程。在TAS-MRAbM寫入方法(c)中，存儲單元的寫入只有在克服反鐵磁性物質(zhì)的阻塞溫度后才有可能，而這種物質(zhì)能阻止存儲層(當兩個層被磁性退耦時)。(d)TA-MRAM堆棧總覽，其中存儲層和參考層都受到反鐵磁性層的牽制。
區(qū)分不同MRAM主要靠寫入存儲層的方法。所有這些傳統(tǒng)方法都存在一個共同的問題，即它們的可縮放性。隨著MTJ尺寸的縮小，長時間保持寫入的數(shù)據(jù)狀態(tài)的能力也會降低。雖然業(yè)界嘗試用了各種方法來抵消這種效應，但它們都存在著使用高得多的功率寫入數(shù)據(jù)的問題，從應用角度看使得這種存儲器缺乏吸引力，從而限制了市場的普及。
TAS-MRAM概念
為了打破低功耗可寫入能力與數(shù)據(jù)保持能力之間的惡性循環(huán)，業(yè)界推出了一種被稱為熱輔助開關(TAS-MRAM)的新方法。這種簡單方法使用溫度來區(qū)分數(shù)據(jù)存儲和低寫入功耗要求的屬性。CEA/Spintec實驗室發(fā)明的TAS-MRAM機制對磁存儲層進行了改進，增加了一個反鐵磁性層，這個層可以在讀取操作時“阻塞”存儲層的方向。圖2所示的寫入過程因而包含了局部加熱結點到一個足夠高的溫度以解除這個“阻塞”屬性，從而允許存儲層在低磁場中被重新定向。這種機制因而支持完全可縮放的比特單元、低功耗的寫入和卓越的數(shù)據(jù)保持能力。
從MRAM到磁性邏輯單元(MLU)
使用TAS-MRAM概念獲得的存儲信息的優(yōu)異穩(wěn)定性激勵Crocus Technology公司開發(fā)出了一種名為磁性邏輯單元(MLU)的新概念。位于MLU核心的是一個自我參考(SR)的磁單元，這個單元是用無磁層直接取代固定參考層(FR)并重命名為傳感層實現(xiàn)的，見圖3。如前所述，SR比特單元的阻抗取決于傳感層和存儲器的磁方向是平行還是反平行的。然而，由于傳感層方向可以用磁力線進行控制，因此這個單元變成了真正的3端邏輯單元，其輸出值是存儲數(shù)據(jù)的方向和傳感層方向的比較結果，定義為輸入比磁力線。這個單元用作XOR(異或)邏輯器件。
圖3：比較帶固定參考(FR)層的TAS-MRAM與帶傳感參考層(SR)的SR-TAS。
磁單元現(xiàn)在可以排列成鏈形，這樣除了傳統(tǒng)的NOR存儲器架構外還能實現(xiàn)NAND類架構(Lcell)。在存儲器應用中會用到差分讀取方式，即在讀取過程中傳感層會被切換。只有阻抗變化標記定義存儲數(shù)據(jù)的狀態(tài)，不再需要外部參考阻抗值。MLU不僅可以實現(xiàn)耐用、完全可縮放的存儲器解決方案，還能實現(xiàn)新的安全功能，比如傳統(tǒng)的“僅存儲器”架構不可能實現(xiàn)的位置匹配(Match-in-Place)。
位置匹配
Crocus Technology公司開發(fā)出了一種名為位置匹配(Match-in-Place)的創(chuàng)新功能，它在實現(xiàn)用戶認證的同時不會向安全黑客暴露任何機密數(shù)據(jù)。
圖4：位置匹配。
位置匹配架構的每個單元都是由一個非易失存儲器單元和虛擬的MLU異或門組成。多個單元串連在一起形成一條NAND鏈路，機密數(shù)據(jù)就存儲在這里。用戶數(shù)據(jù)隨即施加于磁力線，最終形成的鏈路阻抗要么正確要么錯誤。如果輸入數(shù)據(jù)是錯誤的(即不匹配存儲的數(shù)據(jù))，那就不會有任何信息離開存儲器，并提供哪些比特錯誤的信息。這是線性位置匹配引擎的基本原理。如果多條位置匹配NAND鏈路以平行方式放置，它們就能同時用來比較某個圖案與許多存儲圖案的差異。
在圖4所示例子中，一組4個MLU單元串聯(lián)在一起形成一條NAND鏈，并成功創(chuàng)建了一個線性的位置匹配引擎。輸入的二進制圖案0011與存儲的二進制圖案1010進行比較。每個存儲的比特都要與同組的比特進行逐一比較。敏感的存儲數(shù)據(jù)永遠不會被讀取并暴露給黑客，匹配周期在速度和功耗上要比現(xiàn)有解決方案高出幾個數(shù)量級。位置匹配引擎可以用作硬件加速器，進而簡化IC架構，降低總體成本。這種新架構的應用領域非常廣泛，包括安全微控制器、生物學設備和相關的存儲器件。
使用案例：安全微控制器
Crocus決定專注于安全業(yè)務，并專門為智能卡和嵌入式微控制器開發(fā)出了一系列高端的安全產(chǎn)品。在智能卡業(yè)務中增加Crocus的MLU功能可以提供諸多重要的優(yōu)勢，包括更短的編程時間、更方便的軟件開發(fā)、更高的可靠性和更快的個性化時間。
與現(xiàn)有的NOR閃存技術相比，非易失性存儲器可以在很短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)寫入。編程時間可以短至60ns，因而能加速關鍵的PIN碼寫入操作和密鑰管理。由于MLU固有的架構，指令和數(shù)據(jù)可以按字節(jié)、半字或字的方式寫入和擦除，不需要頁面或組的管理。在先進的技術節(jié)點，經(jīng)典的非易失性存儲器(NVM)需要復雜的控制器來處理磨損均衡等功能，而MLU技術是不需要的，因為它本身就具有很高的耐用性。
智能卡產(chǎn)品的一個重要方面是需要個性化編程信息、安全操作系統(tǒng)或嵌入式應用程序，以反映發(fā)行者的配置信息和最終用戶的特點。
快速編程可以顯著節(jié)省成本。Crocus Technology公司推出的MLU系列安全微控制器具有32位安全內(nèi)核、用于存儲代碼和數(shù)據(jù)的MLU以及接觸和非接觸接口。非常高端的CT32MLU1200的目標應用是EMVco和通用標準EAL5+認證。
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