Jak wykorzystać MRAM w aplikacjach IoT.

Jak działa magnetorezystywna pamięć o dostępie swobodnym (MRAM)

Jak sama nazwa wskazuje, dane w pamięci MRAM są przechowywane z wykorzystaniem elementów magnetycznych. Elementy te mają postać dwóch płytek ferromagnetycznych utrzymujących namagnesowanie, oddzielonych cienką warstwą izolacyjną. Struktura taka nosi nazwę magnetycznego złącza tunelowego (MTJ). Jedna z dwóch płytek jest magnesem trwałym o biegunowości ustalonej podczas produkcji. Namagnesowanie drugiej płytki można zmieniać w celu przechowywania danych. Renesas Electronics w ostatnim czasie wprowadziła na rynek urządzenia MRAM, które wykorzystują zastrzeżoną technologię Spin Transfer Torque MRAM (STT-MRAM), która bazuje na prostopadłych magnetycznych złączach tunelowych (p-MTJ). Prostopadłe magnetyczne złącze tunelowe (p-MTJ) zawiera niezmienną warstwę magnetyczną, warstwę bariery dielektrycznej oraz zmienną warstwę magnetyczną przechowującą informacje (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Podstawowa komórka pamięci STT-MRAM składa się z jednego magnetycznego złącza tunelowego (MTJ) i jednego tranzystora dostępowego. (Źródło ilustracji: © Avalanche Technology)

Podczas operacji programowania, orientacja warstwy przechowującej informacje jest przełączana elektrycznie ze stanu równoległego (stan niskiej rezystancji „0”) w stan antyrównoległy (stan wysokiej rezystancji „1”) i odwrotnie, w zależności od kierunku przepływu prądu przez element p-MTJ. Te dwa różne stany rezystancji są wykorzystywane do przechowywania i wykrywania danych.

Przykłady wykorzystania pamięci MRAM

Rejestracja danych, pamięci w węzłach Internetu rzeczy (IoT), uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja w urządzeniach przetwarzania brzegowego oraz tagi RFID w szpitalach to tylko kilka przykładów użycia pamięci MRAM.

Rejestratory danych wymagają wielu megabitów pamięci nieulotnej, aby zapewnić długie okresy gromadzenia danych. Zwykle są one zasilane z baterii, ale mogą również wykorzystywać pozyskiwanie energii z otoczenia, dlatego wymagają użycia pamięci niskiej mocy. W przypadku utraty zasilania, zarejestrowane dane muszą być przechowywane przez nieograniczony czas. Pamięci MRAM spełniają wymagania rejestratorów danych dotyczące parametrów działania.

Trwałość pamięci MRAM w połączeniu z trybem ekstremalnie niskiego zużycia energii pozwala na stworzenie zunifikowanego rozwiązania pamięci kodów i danych w węzłach Internetu rzeczy (IoT) zasilanych z układów pozyskiwania energii z otoczenia lub źródeł bateryjnych o ekstremalnie małych rozmiarach (ilustracja 3). Ważnym czynnikiem branym pod uwagę w węzłach Internetu rzeczy (IoT) często jest również czas uruchamiania. Wdrożenie struktury „kodu na miejscu” (code-in-place) z wykorzystaniem pamięci MRAM pozwala skrócić czas uruchamiania, a także zredukować koszty całkowite wykazu materiałów, ze względu na mniejsze zapotrzebowanie na pamięci DRAM lub SRAM.

Ilustracja 3: Prędkość, trwałość i retencja danych dla magnetorezystywnych pamięci o dostępie swobodnym (MRAM) odpowiadają wymaganiom węzłów Internetu rzeczy (IoT). (Źródło ilustracji: © Avalanche Technology)

Trwałość oferowana przez pamięci MRAM pozwala również wdrażać węzły Internetu rzeczy (IoT) nowej generacji z funkcjami uczenia maszynowego, w których nie ma konieczności ponownego wczytywania algorytmów po każdym wybudzeniu urządzenia. Przetwarzanie lokalne obejmuje analizę danych z czujników, podejmowanie decyzji, a w niektórych przypadkach nawet zmianę konfiguracji węzła. Wspomniane lokalne funkcje inteligentne wymagają trwałej pamięci niskiej mocy. Urządzenia te pozwalają wdrożyć zgrubne wnioskowanie lokalne w czasie rzeczywistym i wykorzystywać technologie chmury do rozbudowanych analiz.

Prędkość pamięci MRAM pozwala na wdrażanie uczenia maszynowego w urządzeniach brzegowych, na przykład w systemach planowania zasobów przedsiębiorstwa (ERP), systemach realizacji produkcji (MES) oraz systemach kontroli nadzorczej i akwizycji danych (SCADA). W takich systemach następuje analiza danych, identyfikacja wzorów pośrednich oraz ich udostępnianie w sąsiednich domenach. Architektura brzegowa wymaga prędkości przetwarzania i pamięci trwałej.

Projektanci mogą również używać pamięci MRAM w urządzeniach medycznych, gdzie korzystne może być zastosowanie urządzeń identyfikacji radiowej (RFID). Dzięki niskiemu zużyciu energii oraz odporności na promieniowanie, są one odpowiednie do stosowania w środowiskach szpitalnych. Tagi identyfikacji radiowej (RFID) są stosowane w szpitalach w wielu celach, takich jak zarządzanie zapasami, zapewnienie bezpieczeństwa i opieki nad pacjentami, identyfikacja urządzeń medycznych oraz identyfikacja i monitorowanie materiałów eksploatacyjnych.