随机存取存储器检测

随机存取存储器检测（精选2篇）

随机存取存储器检测 篇1

随机存取存储器(RAM)的应用

一、实验目的

1.熟悉 RAM 的工作原理及使用方法。2.掌握 RAM 存储器 2114 的应用。

二、实验原理

在计算机及其接口电路中，通常要存储二进制信息。存储器有 RAM、ROM，RAM 又分为静态的 SRAM 和动态的 DRAM，2114 是存储容量为 1K×4 位的静态 SRAM。它由三部分组成：地址译码器、存储矩阵和控制逻辑。地址译码器接受外部输入的地址信号，经过译码后确定相应的存储单元；存储矩阵包含许多存储单元，它们按一定的规律排列成矩阵形式，组成存储矩阵；控制逻辑由读写控制和片选电路构成。

图7.1 2114的管脚排列图

RAM 2114 的工作电压为 5V，输入、输出电平与 TTL 兼容。2114 的引脚图如图 7.1 所示，其中

A0 ~ A9 为地址码输入端。R/W 为读写控制端，I/O0 ~ I/O3 是数据输入输出端，CS 为片选端，当它为 1，芯片未选中，此时数据输入/输出端呈高阻状态。当片选端为 0，2114 被选中，如果读写控制端为高电平，则数据可以由地址

A0 ~ A9 指定的存储单元读出；如果读写控制端为低电平，2114 执行写入操作，数据被写入到由地址 A0~ A9 指定的存储单元。RAM 2114 的功能见表 7.1。对于 RAM 的读写操作，要严格注意时序的要求。读操作时，即首先给出地址信号

A0 ~ A9，然后使片选信号有效，再使得读控制有效，随后数据从指定的存储单元送到数据输出端。对 2114 进行写操作的时序是：先有地址信号，再有片选信号，随后使写入的数据和写信号有效。表7.1 2114功能表

三、实验内容和步骤

1.按图 7.2 连接电路，并把三个集成块的电源端接实验箱的 +5V 电压。将

RAM 存储器 2114 的A3 ~ A0 接二进制计数器 74LS193 的输出端

QD ~ QA，它的地址信号输入端

A4 ~ A9 和片选端均接地。即本实验只利用了 2114 的 16 个存储单元。74LS125 为三态门，它的 4 个三态门的使能端(1，4，10，13)并联后接到 2114 的读写控制端，再接到实验箱的单次脉冲输出端。当 2114 执行读操作时，三态门的输出应该呈高阻状态；当 2114 执行写操作时，三态门的使能端有效，三态门与数据开关接通。要写入的单元

图7.2 RAM 2114的读写实验电路

地址由计数器决定，而要写入的数据由数据开关决定2.74LS193 的引脚排列如图7.3所示，它的清零端 14 脚为高电平时，计数器清零，当它为低电平时执行计数操作。所以先让 K1=1，然后让 K1=0。

3.按动连接在计数器的单次脉冲 CP，根据与计数器输出相连的四个 LED 可以确定 2114 的存储单元地址。再改变数据开关就能够确定被写入的数据。注意单脉冲产生的应是负脉冲。当其为低电平时有两个作用，一是使三态门工作，二是使得 2114 的写控制有效。所以按动单次脉冲 CP，就可以将给定的数据写入到指定的 RAM 存储单元。按表 7.2 的要求改变地址

A3 ~ A0 和数 据Ｉ3~Ｉ0，将实验结果填入表 7.2。图7.3 74LS193的引脚排列图

4.让 CP 为高电平，关闭三态门，并使 2114 处于读工作状态。用 K1 对计数器清零，再使计数器处于计数状态。按动单次脉冲 CP，根据与计数器输出相连的四个 LED 的状态确定 2114 的存储单元的地址。通过与 2114 的 I/O3 ~ I/O0 相连的四个 LED 观察从 2114 读出的数据 O3 ~ O0。按表 7.2 的要求改变地址

A3 ~ A0，将读出的结果

O3 ~ O0 填入按表 7.2，并比较是否与写入的数据一致。如果实验箱上的单次脉冲源不够用或性能不佳，可参考实验2.5用与非门实现单次脉冲产生器。

表7.2 2114读写实验结果

四、实验仪器与器件 1.数字电路实验箱

2.二进制计数器

1个 1片 1片 1片

74LS193

三态门

74LS125

与非门

74LS00

随机存储器

2114

1片

五、实验报告要求

1.画出实验电路图。

2.查出 74LS193 的逻辑功能表，说明在图 7.2 中，74LS193 工作在何种计数方式。

3.根据实验数据填充表格 7.2。

随机存取存储器检测 篇2

MRAM是磁阻式随机存取存储器 (Magnetoresistive Random Access Memory) 的缩写。MRAM是一种非挥发性电脑存储器 (non-volatile computer memory, NVRAM) 技术, 该技术从20世纪90年代以来开始开发, 目前已经取得惊人的进展。MRAM技术的支持者认为, MRAM最终将成为占主导地位的并取代其它所有类型的存储器, 成为一个真正的“通用存储器”。实用型MRAM主要利用隧道磁阻 (Tunneling Magnetoresistance, TMR) 效应, 之前的巨磁阻 (Giant Magnetoresistance, GMR) 或更早以前的异性磁阻 (AMR) 都不具备实用性[1]。

MRAM的概念1972年就已经提出, 但直到1988年GMR和1995年TMR的发现, 才使得MRAM具有了实用性的前景。

最简单的MRAM存储单元可以采用一个金属三明治结构, 包括2个为一个非常薄的绝缘体分割开来的三层膜结构 (TMR结构) 。底层的磁矩是固定的 (“钉扎的”) , 称为固定层, 而顶层的N—S极走向是双稳态式的 (可变的) , 被称为自由层。顶层的磁矩方向可以在与底层相同和相反两个状态间切换。

由于有量子隧道效应存在, 这种三明治结构中的薄绝缘层可以流过小的电流。如果电子穿越绝缘体势垒时保持其自旋方向不变, 即两层磁性材料磁矩平行的话, 材料呈现低电阻;反之, 如果两层磁性材料磁矩反平行的话, 材料呈现高电阻。这种通过控制2个叠放的磁性薄膜磁矩的平行和反平行来改变电阻的原理被称为磁致电阻效应 (Magnetoresistive) 。2块极板间的间隙被称为磁隧道结 (MTJ) 。因为叠层中顶层具有2个相反的稳定态 (与底层平行或反平行) , 它可以储存一个二进制的量值。该单元的平行态 (低电阻) 往往指示0, 它的反平行 (高阻态) 往往代表1。利用薄膜阻抗根据磁化方向是否一致而变化的特性, 系统可以判别数据位为0或1。较早的MRAM采用GMR技术。由于在GMR薄膜下0和1之间的阻抗变化非常小, 所以在指示磁性方向为0或1时电压变化也微不足道, 而差异不大意味着在检测电压时更容易受到外界影响, 因此在装有GMR薄膜的MRAM上, 会执行两次读取程序, 以保证数据的正确。另外, 由于GMR薄膜与MOSFET (场效应管) 串联, 这就要求两者的阻抗必须匹配, 而GMR薄膜的阻抗本来就很低, 高阻抗的MOSFET使GMR薄膜的感应很困难。要和MOSFET相匹配, 则GMR薄膜必须要有较大的面积。这个条件给提高GMR芯片的集成度造成一定困难。

TMR是一种对GMR的更新技术, 当MRAM在采用了TMR薄膜之后, 上述问题迎刃而解, 不但可以减小芯片体积, 而且不需要进行重复读取提高了速度。

基于磁致电阻的MRAM位单元需要分布在相互垂直的双层导线栅格上 (图1) 。上层的导线叫位线, 下层的导线叫字线。由于必须经过该单元的顶板和底板, 而不至于真正接触到它们, 位线和字线间的垂直距离需要略大于MRAM位单元本身的高度。MRAM位单元夹在两层线之间, 水平位置在每个交叉点上。为了读出一位信息, 电流将流过对应的底部字线, 沿着所选通的单元向上流出, 逻辑电路则感应出在所连接的顶部位线上的相应电流。写入是通过向恰当的字线通电, 同时让电流流过位线来实现的, 电流或者形成对准方向 (写入0) , 或者形成反对准状态 (写入1) 。

2 MRAM与现行各类存储器的比较

MRAM在读写方面可以实现高速化, 这一点与静态随机存储器 (Static Random Access Memory, SRAM) 类似。由于磁体本质上是抗辐射的, MRAM本身还具有极高的可靠性, 即MRAM本身可以免受软错误 (soft error) 之害。

MRAM可以做到与动态随机存储器 (Dynamic Random Access Memory, DRAM) 类似的高密度, 而且还具有读取无破坏性、无需消耗能量来进行刷新等优势, 因为磁体没有漏电 (leakage) 之说。MRAM与闪存 (FLASH) 同样是非易失性的, 它还具备了写入和读取速度相同的优点, 并具有承受无限多次读—写循环的能力。 (在自由磁体层中来回切换的运动是电子的自旋, 而电子本身永远不会磨损) 。

MRAM另外一个吸引人的特色是, MRAM单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中, 这只需在后端的金属化过程增加一两步需要光刻掩模版的工艺即可。另外, 因为MRAM单元可以完全制作在芯片的金属层中, 将2~3层单元叠放起来是可以实现的, 这样就可以在逻辑电路上方构造规模极大的内存阵列。这样的可能性使我们可以预见到未来有望出现新型的、功能大大提升的单芯片系统这一美好前景。

MRAM与现行各类存储器的比较见表1。

MRAM技术目前还存在一些困难, 至少还没有一种实用化的、可靠的方式来实现大容量的MRAM。困难之一是对自由层进行写入 (使磁矩平行或反平行底层) 时所需的功率过高, 因此交叉点开关架构受到连带写入问题的困扰。虽然只有所选中的位单元会承受由同时沿着字线和位线流动的电流引起的强烈的激励磁场, 但沿着其中任一根线上分布的所有其他的位单元也会承受一半的切换功率, 因此它们被“半选中”。理论上, “半选中”的磁场作用并未强到足以重新改变这些单元对准方向的地步, 因此这些位应该毫不受影响。但由于MRAM单元要构成大规模的阵列, 在那些为数众多的“半选中”的单元中某一个单元的自由层要出现状态的随机翻转的几率还是很大的。原因就在于对写入线 (字或位) 线通电时, 我们同时降低了这条线 (位于其上方或下方) 上的每个单元的状态翻转的切换势垒。而这个势垒对MRAM阵列中的任一自由板在某个范围内是随机的, 也就是说它们没有共同的、固定的切换阈值。于是, “半选中”的单元数量越多, 其中某个单元的状态接近自身阈值而出现翻转的机率就越大。要避免这个问题, 就需要对阵列的布局、内存单元的构造以及导线上的电流分布进行严格而一致性的控制, 而这种控制通常是难以实现的, 尤其是大的点阵更是如此。这种现象在电子学上称为串扰 (Cross talk) 。为了实现高密度的MRAM, 缩短记忆位间的间距是必要的;然而当记忆位间的间距缩短到一定程度时, 相邻的记忆位在执行写入动作的情形下相当容易相互干扰。由于MRAM是利用磁场来写入数据, 而散逸场 (stray filed) 会影响到邻近的位, 故串扰问题是很难避免的。于是, 在实践中, 交叉点阵列间的尺寸长度不能超过一定的限度, 这样单位面积上的单元数 (密度) 受到限制。虽然当前的半导体集成电路早已突破了这一尺寸极限值, 但MRAM技术中如何突破有待时日。

3 MRAM研究进展

MRAM研究目前主要有二个方向, 一是提高传统的GMR或TMR MRAM的性能;二是发展新原理和新结构的MRAM, 其中基于自旋转矩效应 (spin-transfer torques, STT) MRAM以及旋档切换开关 (toggle-mode switching) 型MRAM是主要的两类。

3.1 高磁电阻比TMR材料

如前所述, MRAM要求TMR材料具有较高的磁电阻比。高磁电阻比TMR材料, 特别是室温下高磁电阻比TMR材料是人们追求的目标之一。物理所韩秀峰课题组在这方面取得了一系列的成果[2,3,4,5,6]。2000年他们制备出室温磁电阻比为50% (4.2K为70%) 的Co-Fe/Al-O/Co-Fe体系磁性隧道结, 这是当时国际上最好水平。2004年他们制备出4.2K磁电阻TMR高达20%的有机LB膜复合磁性隧道结;同一年他们还制备出4.2K磁电阻TMR为3000%~9050%的La1-x SrxMnO3半金属复合磁性隧道结;2006年他们制备出室温磁电阻比为80% (4.2K高于100%) 目前最好水平的非晶金属Co60Fe20B20/Al-O/Co60Fe20B20体系磁性隧道结。

3.2 自由层材料

MRAM通常采用CoFe及CoFe/NiFe等作为自由层材料。2002年Sony公司在TMR组件的自由层中采用了CoFeB的非结晶膜[7], 并宣布这样可以减少储存单元之间的存储、读取特性的失真。读取特性方面, Sony表示使用CoFeB材料可以使相当于“0”和“1”的输出级别更加明确地分为2个部分。由于在自由层中采用了CoFeB, 使得MR比值大幅度增大。比如, 薄膜的结构为 (Co75Fe25) 80B20/AlOx/CoFe/Ru/CoFe/PtMn, 大小为0.6μm×1.2μm的TMR组件的MR比在偏压为100mV时约为55%, 在偏压为300mV时约为40%以上。另一方面, 关于储存特性, 对相邻4个单元的星型线进行测试后发现, 采用CoFeB作为自由层, 膜厚为2nm~4nm时, 可以降低交换层磁场的失真。

2004年美国NVE公司和日本ANELVA公司在磁化固定层和自由层上全都采用Co-Fe-B[1]。通过采用Co-Fe-B, 提高了夹在磁化固定层和自由层之间的绝缘膜 (氧化铝) 的亲和性。他们宣称室温下磁阻率 (MR比) 高达70%, 大幅提高MRAM读写的可靠性, 而此前的磁阻率大约为50%。

3.3 自旋转矩效应与流致反转

最初的MRAM都是用微电磁线圈产生电磁场, 使自由层的磁矩方向反转来进行0、1数据的读写。这种复杂的结构大大地制约了MRAM存贮单元的微型化进程, 因此当时MRAM的存贮密度远远不及DRAM和SRAM。后来科学家们想出了用自旋极化的电子流脉冲取代微电磁线圈的突破方案。穿过微磁粒的自旋极化电子流脉冲具有确定的磁场方向, 它的磁矩在这里被称为“自旋转移力矩”或简称“自旋转矩”, 即前面提到的STT。自旋极化电子流可以代替电磁线圈使微磁粒的磁场方向发生反转, 因此这种方式也被称为流致反转。

STT可视为相反于巨磁阻的效应, 显示的是电流通过多层膜结构后改变多层膜的磁化特性。当具高密度的自旋极化 (spin-polarized) 电流通过铁磁金属, 由于极化电子角动量的转移部份角动量至铁磁金属中的磁矩, 因而产生力矩。对于铁磁 (F) /非铁磁 (N) /铁磁 (F) 的多层膜系统, 电流方向垂直膜面进行 (current-perpendicular-toplane, CPP) 。铁磁层F1藉由形状异向性或外加场来保持磁化方向固定, 而铁磁层F2则为自由层, 两铁磁层间亦由非磁性金属层隔开。自旋极化电流通过此多层膜结构所转移的力矩效应与电流流向有关:当电子流由固定层F1流向自由层F2时, 力矩倾向于将F2中磁矩转向于平行F1层之磁化方向;当电子流由自由层F2流向固定层F1时, 力矩效应则倾向于使自由层的磁矩与固定层磁矩反向。因此, 在不需要外加翻转磁场的情况下, 可藉由极化电流的传输而使固定层与自由层铁磁金属同向或反向极化。

Hans等人[8]的研究表明, 通过精细地控制自旋极化电子流脉冲的形状和长度, 在实验室中用STT-MRAM原型芯片使其纳米磁粒的反转时间达到了1ns接近了理论上的极限。韩秀峰等人[9]采用100nm尺度下的磁矩闭合型纳米环状磁性隧道结作为存储单元, 利用正负脉冲极化电流直接驱动比特层磁矩翻转的工作原理, 解决了常规MRAM相对功耗高、存储密度低等瓶颈问题。该器件利用500~650μA脉冲极化电流就可以直接驱动存储单元比特层的磁矩翻转进行写操作, 并有望进一步优化和降低写操作电流, 而读操作只需要10~20μA的脉冲电流。

目前STT效应的研究已发展成磁学界一个重要的研究热点[10,11,12]。其重要之处在于, 这一效应不仅在理论上提出了自旋电流调控薄膜磁矩的物理新理念, 而且它可以用于发展电流直接调控的SST-MRAM。SST-MRAM目前面临的主要问题是翻转电流过大。至于如何降低翻转电流, 还没有切实可行的办法, 但许多研究者已经给出了建议和尝试[13,14]。

3.4 旋档切换开关结构

如前所述, 对于简单的铁磁性的三明治结构和基本的交叉阵列来说, 存在许多弊病, 而解决之道是更为复杂的自旋电子结构。世界著名的飞思卡尔TM半导体公司 (FreescaleTM Semiconductor) 最先提出“旋档切换开关 (toggle-mode switching) ”型MRAM的概念[15]。在Freescale的器件中, 自由的和固定的磁体层并不是单纯的铁磁板。相反, 它们是合成的反铁磁体 (synthetic antiferromagnet, SAF) 三明治结构, 由2个反向对准的铁磁材料层以及两层材料之间所夹的一层非磁性材料耦合隔层而组成。SAF三明治结构产生磁致电阻效应的能力并不会因为它的混合式结构而受到影响。对准和反对准只取决于MTJ结构两侧相对的两层材料。将两层板材组成SAF, 就可以让每层板变成“磁矩平衡”———净外磁场为0。这避免了磁场交叠而导致的可扩展性的问题。

SAF对于附近的导线上流过的电流所产生的磁场所作出的响应迥异于简单的铁磁板三明治结构。其磁轴总是试图与导线保持一定的角度回转。这就使得以步进方式切换自由的SAF场 (而不是以莽力颠倒其朝向) 提供了可能。这种步进旋档式切换不仅所需要的能量显著低于交叉点开关式的, 而且可以完全取消前述的“半选中”单元出现连带写入这一难以解决的问题。在这种方案中, “半选中”的单元仅旋转45°, 而远远不会切换到相反的对准方式的状态上。正如所选中的单元在位线断电时会猛然回到最接近的稳态轴向上一样, “半选中”的单元在选中的线上所接通的电源被切断后会自然而然地快速切换到它们初始的朝向上。此外, 由单根线所产生的力起到了提高”半选中”单元的开关势垒的作用, 而不是削弱这种势垒, 因为一个所施加的力可以防止SAF单元在选择序列中作丝毫进一步的旋转。

旋档式切换的另一个显著的特征是, 将一个1或0写入某个单元, 对其行为特性并不会产生任何影响。无论单元采用2个对准方向中的哪一个, 施加一串相同的写入脉冲序列将使之旋转180°到另一个对准方向。这一特性的优点在于消除了采用双向位线的必要性。不利之处就在于在对每一位存储进行写入前必须进行读出操作, 以确定它目前的对准方向。如果需要切换方向的话, 这一复杂性就会使写入周期变慢, 但它避免了将旋档动作一分为二的必要。在一个交叉点阵列中, 同样也没有必要用相同的量值来覆盖一个0或者1数据, 但是, 因为覆盖一个交叉点单元不会带来损害, 因此在写入新的值之前无需确定单元内现有的值。相比之下, 对处于0或者1状态的单元进行旋档式操作始终会写入相反的值。于是, 旋档操作不能盲目进行, 如果单元所储存的值与要写入的值一致, 则根本就不会进行写入操作。

toggle-MRAM目前吸引了很多研究者的注意, 但对于这种结构的理解还远远不够。比如这种器件的动力学开关特性, 实验和理论还有差距。在这方面, 基于朗道-利夫席茨-吉尔伯特 (LandauLifshitz-Gilbert, LLG) 方程[16]的微磁学模拟[17]可能是非常有帮助的。

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