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简介

Crocus Magnetic Logic Unit™ (MLU) 架构使用其革新性的自我参照专利技术。该技术使用了 Thermally Assisted Switching™ (TAS) 和 Differential Thermally Assisted Programming (DTAP).自参考 TAS (SR-TAS)实现了磁技术实施领域之前无法实现的突破。这些技术实施包括:超灵敏磁传感器、高度稳定安全的嵌入式存储器、超高温非易失性存储器 (NVM) 运转(如约 200° C)、基于超高密度硬件的表检索(如内容定址存储器)、高密度多位存储器,以及缩放至 20nm 以下的生产制造。DTAP 技术成就了传感器设备的独特偏压操作以实现更优的性能。

 

MLU 技术是一款平台技术,可用于多款产品的设计,如磁传感器、存储器和安全产品等。MLU 技术的核心是薄膜磁阻元件,即所谓的磁性隧道结 (MTJ)。MTJ 的极简组件有两片磁层和中间薄薄的绝缘层。MTJ 的抗电阻性取决于两层磁矩之间的角度,反向时为高,平行时则为低。根据不同产品可选择不同 MTJ 设备的构造。


用于传感器产品的 MLU 技术


Crocus 磁场传感器使用结构简单的 MTJ。即 MTJ 仅两片磁层构成(如图 1 所示)。

其中一片磁层底部使用一片反铁磁性层来固定磁场定向,该磁层被称为参考层。

 

另一片磁层称为感应层,可根据外部磁场随意改变其定向。

 

制造时使用 Crocus 专利 DTAP 技术为参考层进行普通编程。


 

 


 

 

 

 


MTJ 的抗电阻性取决于传感层和参考层磁矩的角度。由于外部磁场会影响传感层定向,MTJ 抗电阻性便取决于外部磁场。当磁场与参考层反向,MTJ 则表现出高抗电阻性,当磁场与参考层同向,MTJ 则表现出低抗电阻性。外部磁场将决定哪一个会更强。基本 MTJ 的函数曲线如图 2 所示。曲线清晰地划分出三个不同的区域。高抗电阻区(参考层与传感层反向)、过渡区(MTJ 抗电阻性在高和低之间变换)以及抵抗电阻饱和区(参考层与传感层同向)。中间的过渡区通常用于线性应用,可在抗电阻性和磁场的密度和方向之间建立直接相关性。

 

 

 

 



 


使用如图 3 所示排列顺序的大量 MTJ 来设计实用传感器器件。

 

这些器件不仅具备极高稳定性,还能在产生磁控电阻的输出电阻时拥有很大的灵活性,输出电阻范围从几欧到几十万欧,面对不同应用时效果尤其显著。

 

另外,此类传感器器件可直接使用相对较大的电压操作。

 


Crocus 已根据此基本原理引入多元创新,开发出一系列磁传感器产品。

 

 

 

 

 

 

 

用于存储器产品的 MLU 技术

 

基本 MRAM 单元由包含两层磁性层的 MTJ 组成,磁性层中间还加入了图 4 所示的薄绝缘层。这里也有一层作为参考层,而另一层则作为存储层,该层可进行切换与参考层形成同向或反向以分别输出低或高电阻。因此,存储器的对应逻辑状态(“0”或“1”)根据其电阻状态(低或高)定义,由小读数电流监测。需要指出的是,存储器并非使用过渡区运作,而是利用高或低电阻模式。

 

 

 

在传统 MRAM 架构中,存储器单元由 CMOS 选择晶体管和一个磁性隧道结构成,这些单元置于 2D 阵列中。每个存储器单元可通过每个 MTJ 单独寻址,这些 MTJ 位于控制场力线的交叉点架构中。此技术已有效用于第一代 MRAM 设备,到目前为止,该技术的特征尺寸已经能够大于 0.13 - 0.18 µm。

 

然而,这种方法的可伸缩性还具备一定局限性,而开发更小的技术节点则需要不同的架构。Crocus 及其合作研究中心 SPINTEC 和 LETI 已在 IST 欧洲程序“NEXT”架构内开发与演示了一项名为 “TAS”(热辅助开关)的技术,受广泛的知识产品组合保护。该项技术的关键特征是将反铁磁性层添加到 MTJ 存储层,从而固定存储信息并允许这些信息只能通过 MTJ 的局部焦耳加热进行改写。Crocus MRAM 技术不仅允许 90 nm 以及更小的完整缩放技术节点,还展现出高速、零错误寻址、降低功耗和及辐射/磁场硬度性能等优势。

 

 

Crocus 磁性逻辑单元

 

除了 TAS-RAM,Crocus 还开发了一个名为自参考 (SR) 的新概念,这就是磁性逻辑单元 (MLU) 架构的核心。SR 能够更深入的解决附加挑战并启用新功能与性能。 SR MTJ 的关键特征是不需要固定的参考层。这种特性通过去除固定参考的反铁磁性层实现。因此,此层的磁化可自由变化并被重命名为传感层。


 

SR 存储器单元的操作方式与图 5 所示的固定参考 (FR)-TAS 存储器单元不同。SR 和 FR 配置中,将数据写入存储器单元的机制是相同的:小电流流经 MTJ 并将该单元加热到临界写入温度,同时用磁场为存储层定位。随后,冷却 MTJ,写入场保持不变,基本上将磁状态“凝固”到存储层。在写入操作时传感层的定位无关紧要。Crocus 将专利绝热层包含在 MTJ 内部和周围以优化加热电流,从而最大化温度增量。

 

但是,FR 和 SR 配置的读取机制完全不同。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在 SR 情况中,读取是通过两次测量图 6 所示的 MTJ 电阻实现的。第一次测量通过传感层对齐一个方向获得,第二次测量则对齐另一个方向。首先通过在对应场力线驱动“北磁极”电流并立即驱动“南磁极”电流以获得交替对齐的传感层,此操作可在 5 至 10 毫微秒内完成。对齐传感层所需的场力线电流量大致等于写入序列所需的场力线电流量。但是在读取序列过程中,应用到 MTJ 的电源大约是写入序列过程所应用电源的十分之一。因此,读取过程中,没有因为自加热而写入不必要信息的危险。

 

SR 读取不仅能够使存储单元非常稳定,还能将其用作真正的逻辑元件。场力线的电流流向能够用作信息输入。现在该单元的电阻可以比较存储信息与输入信息——如果传感层和存储层对齐,则电阻为低,如果两者形成反向,则电阻为高。该元件作为 XOR(异或)逻辑设备,其输出取决于存储信息与输入信息的对比(通过场力线)。

 

 

 

 

 

 

用于 Match In Place 的 Crocus 磁性逻辑单元架构

 

 

源于 MLU 概念,Crocus 已开发出一种名为 Match-In-Place 的革新功能,无需向安全攻击者暴露任何机密数据即可验证用户。预期优势有:

 

存储的敏感数据绝不会被攻击者读取或暴露给攻击者,
匹配周期的数量级在速度与功率方面比现有解决方案更有效果。
Match In Place 引擎可以作为硬件加速器,简化 IC 架构并减低其总体价格。

 

Match-In-Place 架构的每个单元都由一个非易失性存储器单元结合 MLU 的虚拟异或门组成。多个单元串联在一起形成 NAND 链,作为线性 Match-In-Place 引擎。如果多元 Match-In-Place NAND 链并联放置,他们可以同时对比一个模式与许多模式。

 

在图 7 中,一组 4 个 MLU 单元串联连接并形成 NAND 链,产生线性 Match-In-Place 引擎。输入二进制模式 0011 与存储二进制模式 1010 进行比较。每个存储位分别于同等级的位比较。物理连接 MTJ 产生的电阻器与参考进行比较,能够在 2 个词语中决定匹配与不匹配。


此新架构适用于诸多磁场,包括安全微控制器、生物识别设备和关联存储器设备。