磁気抵抗メモリ

磁気抵抗メモリ（MRAM）とは

磁気抵抗メモリ（MRAM）は、磁気トンネル接合（MTJ）を用いた不揮発性メモリの一種です。MRAMは、SRAMやDRAMなどの従来のメモリとは異なり、データを電荷ではなくMTJ内の磁化状態（平行または反平行）によって保持します。この特性により、電源がオフになってもデータが失われることはありません。

MRAMの構造と動作原理

MRAMは、MTJと、それを制御するビット線、ワード線、そしてMTJの抵抗変化を読み取るトランジスタから構成されます。ビット線とワード線はMTJを挟んで直交して配置され、両方に電流を流すことで合成磁場を生成し、特定のメモリセルを選択してアクセスします。

書き込み動作

データの書き込みは、MTJの磁化反転を介して行われます。このMTJは、上下の強磁性体層に挟まれた絶縁体層から成り立っており、磁化の方向によって抵抗が異なる「トンネル磁気抵抗効果（TMR）」を利用しています。上下の強磁性体層の一方はピン層と呼ばれ、固定された磁化を持っており、もう一方はフリー層と呼ばれ、磁化が逆転しやすい構造になっています。

準備するには、ビット線とワード線に電流を流すことで合成磁場を生成し、フリー層の磁化を反転させます。ただし、セルの微細化が進むと、隣接するセルへの影響や必要な電流密度が増加するため、問題が生じます。最近ではスピン注入を用いた磁化反転方式が導入されるなど、新たな技術が開発されています。

読み出し動作

読み出し操作では、MTJの抵抗値がTMR効果によって変化し、それに基づいてデータを0または1と判定します。MRAMは他のメモリ技術とは異なり、MTJ内を流れる電流の大きさを電圧の差として読み出すため、特別な回路が必要です。参照セルと選択セルに同じ量の電流を流し、得られた電圧差を増幅してデータを読み取ります。

このとき、MR比（磁気抵抗比）が重要で、大きいほど読み出し精度が向上します。

MRAMの利点と課題

MRAMは、非揮発性でデータを保存できるため、電源が切れても情報を維持できます。しかし、外部の強磁場によってデータが損失するリスクがあります。この理由は、MTJの基本的な原理が、磁化の向きの違いに基づくためです。強い外部磁場にさらされると、固定層の磁化が変わることで、正常なデータ読み出しができなくなる場合があります。

他のメモリとの比較

• - 記録密度: MRAMは「1T1MTJ」と呼ばれる構成であり、構成要素がシンプルなDRAMよりも高いセル密度を持ちます。SRAMは高性能ですが、セル密度が低いため、コストが高くなります。
• - 消費電力: DRAMは定期的にリフレッシュが必要で、消費電力が高くなるのに対し、MRAMはリフレッシュが不要で待機電力も少ない傾向があります。書き込み時の消費電力は高くなりますが、STT-MRAMによって改善が見込まれています。
• - 動作速度: MRAMは、抵抗の変化を用いて読み出しを行うため、高速で動作します。特に、書き込みがフラッシュメモリよりも数千倍速いため、迅速なデータ処理が可能です。

実用化の動向

MRAMの商業化は進んでおり、2006年にフリースケール・セミコンダクタによって最初の製品化が発表されました。その後、多くの企業がMRAM技術を取り入れた製品の開発に着手しています。例えば、エバースピン・テクノロジーズは2018年に1GbitのMRAMのサンプル出荷を開始するなど、研究開発が活発に行われています。

MRAMは、特に組み込みシステムやパソコンのキャッシュメモリにおいて、高速かつ省電力なメモリ技術として重要性が高まっています。将来的には、さらなる性能向上が期待されており、新たな用途の開拓にも寄与するでしょう。

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