用于空间应用的快速、大容量和耐用的 MRAM

    实时以及存储和转发机载处理应用程序越来越需要大量快速、非易失性存储器。虽然太空级 NAND 闪存提供千兆位 (Gb) 和太位 (Tb) 存储容量，但其速度、耐用性、数据保留以及错误位管理限制了它在具有特定寿命和操作占空比的任务中的使用。磁阻随机存取存储器 (MRAM) 有可能提供千兆字节 (GB) 的快速非易失性存储，而不受上述限制，从而支持下一代卫星应用。
    传统的 SRAM 将每个位存储在一个锁存器中，通常使用四个或六个晶体管来实现。太空级设备提供容量高达 32 Mb 的快速内存。
    SDRAM 将每一位存储为电容器内的电荷，从而产生高密度设备，的符合空间要求的 DDR4 提供高达 48 Gb 的容量。电荷泄漏需要恒定的功率消耗来定期刷新电容器。
    SRAM 和 SDRAM 都是使用电子电荷存储数据的易失性半导体技术。MRAM使用磁性元件存储信息，提供固有的抗辐射性，提供SRAM的速度、接近DRAM的密度、闪存的非易失性、无限的读/写耐久性和始终高功率效率。
    MRAM 使用磁态和铁磁材料的极化来写入数据，并使用磁阻来回读。如图 1所示，每个存储元件都由单个晶体管、磁性隧道结 (MTJ) 存储单元组成。MTJ 由固定磁性层、介电隧道势垒和自由磁性层组成，自由磁性层可以使用磁场或施加极化电流来改变其方向。

    绝缘屏障薄至几个原子层，当向 MTJ 施加外部偏压时，电子隧道穿过通常绝缘的材料，从而改变其电阻。当两层具有相同方向（即，MTJ 具有低电阻）时存储逻辑零，当两层具有不同方向（即高电阻）时存储逻辑一。

    图 1单个晶体管的示意图，MTJ 单元 [Freescale]。
    数据以磁态而不是电荷的形式存储，并通过测量其电阻而不干扰其极化来感测。这为空间应用提供了许多主要好处：
    磁性状态不会随时间泄漏，因此即使关闭电源，您的信息也会保留。
    两种状态之间的切换不涉及电子或原子的实际运动，因此不存在磨损机制。
    MRAM 不受辐射效应引起的位翻转 (SEU) 的影响，抗闭锁能力高达 85.4 MeV/cm 2 /mg，测得的总剂量耐受性高达 1 Mrad(Si)。设备级别的支持电路需要额外的 RHBD 实践，这因供应商而异，会影响实际的辐射硬度。
    数据在 +125°C 下保存 10 年，在 +85°C 下保存长达 1,000 年。
    如今，MTJ 的制造已集成到标准 CMOS 工艺中，从而可以经济地生产零件。对于传统的闪存，耐久性指定了没有不可恢复错误的程序周期数。每次擦除操作都会在存储器单元结构的氧化物中引入缺陷，这些缺陷会随着时间的推移而累积，从而决定产品的使用寿命。在某些时候，磨损引起的错误会阻止闪存单元正常运行，使其无法使用。MRAM 不存储电荷并使用磁态进行存储：编程是通过脉冲电流通过 MTJ 实现的，通过自旋转移力矩效应导致磁极化切换（向上/向下）。通过感测不同的 MTJ 电阻状态来实现读取。闪存的耐久度可以指定为105和 MRAM 为 10 16，某些实现具有非破坏性读取、嵌入式纠错和其他技术以增强可靠性。
    MRAM 提供 SRAM 的速度、接近 DRAM 的密度、闪存的非易失性、无限的读/写耐久性和低功耗。它非常适合需要非易失性查找表和系数的实时机载处理、在轨边缘计算、启动太空级基于 SRAM 的 FPGA 以及存储多个配置图像。事实上，由于这些原因，某些近几代 MRAM 为统一内存架构提供了可行的选择，在设计阶段实现了设计简化和 SWAP-C 优化，但也对下游测试和鉴定产生了影响。
    Avalanche Technologies 基于其专有的双晶体管垂直 MTJ (pMTJ) 为空间应用提供一系列抗辐射 MRAM 解决方案，容量从 1 到 8 Gb，具有 16/32 位并行或串行（双 QSPI）接口。到 2022 年底，该公司预计将添加 16Gb DDR3 选项以用作持久性 DRAM。
    可以从 Avalanche网站申请开发套件，可以使用 IBIS 和 Verilog 模型，还可以NASA 总结辐射测试的论文。在欧洲，耐辐射部件通过Protec Semiconductor采购，在北美则从Falcon Electronics采购。可应要求提供一代设备的辐射和已签署的 NDA。

    Avalanche 的（第 3 代）并行接口设备提供高达 4 Gb 的容量，并采用 15 x 17 毫米、142 球 FBGA 封装，额定温度范围为 -40 至 +125°C。在相同温度范围内，D-QSPI 部件也可在 88 球 FBGA 中提供高达 8 Gb 的容量。1 Gb 部分如图 2所示。

    图 2第 3 代，32 位并行接口，1 Gb MRAM 部件。

    如图3所示，3V3/1V8 Gen. 2、容量高达 64 Mb 的 16 位并行部件可用于 10 x 10 mm、48 球 FBGA，额定温度范围为 -40 至 +125°C。串行 QSPI 设备也可提供高达 16 Mb 的 5.28 x 5.23 毫米、8 引脚 SOIC。

    图 3第 2 代串行接口 MRAM 部件。
    Avalanche Technology 提供的太空级设备采用高温塑料封装，使用 JEDEC 流程和 48 小时老化。扩展温度、封装（例如，裸片、密封等）和流程的其他选项由供应商提供比如微信。
    直到下个月，个告诉我为什么 MRAM 是一种低功耗内存技术的人将赢得一件Courses for Rocket Scientists World Tour T 恤。