Non-volatile Memory, STT-RAM에 대한 요약

 NVM(Non-volatile Memory)는 휘발성 메모리(like DRAM)에서 행하는 Refresh 작업을 행하지 않고도 데이터를 장기간 유지할 수 있는 메모리 기술이다. NVM 기술은 전류를 흘려 상태(1,0)을 바꿀 수 있기 때문에 메모리 셀로 사용되는 물질로 인해 작동한다. 이러한 기술은 Very low power, higher density than SRAM or DRAM을 제공 할 수있다. (낮은 전력, 높은 용량)

 대신 NVM에는 Volatile Memory보다 낮은 Write 내구성과 Write 작업시 높은 Latency과 높은 Energy cost를 포함하여 극복해야할 여러개의 문제가 있다. 

 

STT-RAM(Spin Transfer Torque Random Access Memory)

  STT-RAM은 SRAM을 대체할 수 있는 NVM이다. 확작성이 높은 메모리, 더 작은 Cell의 크기, 더 나은 Read/Write Latency를 가능하게 하기위해 MRAM의 기본 플랫폼을 활용하기 때문에 STT-RAM은 MRAM(Magnetic Random Access Memory)에 비해 개선된 것으로 간주한다.

 

  STT-RAM Cell은 서로 다른 두개의 Magnetic storage device로 구성된다. 첫번째 device는 고정된 자기 방향(Magnetic orientation)을 가지고 있고, 두번째 device는 자기 방향을 바꿀 수 있다. 두 Device 모두 강자성 레이어(Ferromagnetic layers)라고도 한다. 특히 첫번째 Device는 Reference layer, 두번째 Device는 Free layer라고 정의된다. 

 

  세번째 Device는 tunnel barrier layer라고 불리는 두 층 사이에 배치된다. 3개의 Layer 그룹화는 정보를 저장하는 핵심 요소인 Manetic tunnel junction(MTJ)으로 정의된다.  Spin transfer torque 로 알려진 효과는 상대적으로 강한 전류가 Free layer의 자기 방향을 뒤집을 수 있는 MTJ에 가해질때 발생한다. 해당 불일치는 토크를 발생시킨다.

 MTJ 외에도 STT-RAM Cell은 비트라인(BL)과 소스라인(SL)을 포함한다. 이 라인에 적용된 전류에 따라 다른 메모리 작업을 수행하게 된다. 워드라인(WL)은 여러 메모리 셀을 연결하여 전체 셀 행을 읽을 수 있도록 하는데 사용되며 마지막으로 MTJ 아래에 위치한 트랜지스터는 STT-RAM Cell에서 메모리 동작을 허용하는데 사용한다.

 

  Read Operation : BL과 SL사이에 작은 전압이 인가된다. Cell을 통과하는 전류의 양은 MTJ의 저항에 따라 달라지며, 이 저항은 Free layer와 Reference layer의 자기 방향에 따라 낮거나 높을 수 있다. 이 저항이 증폭기(Amplifier)에 의해 감지되어 Cell에 저장된 값을 출력한다.

  Write(RESET) : SL과 BL 사이에 큰 전압이 인가되어 SL에서 BL로 전류 흐름이 생성된다.

  Write(SET): : SL과 BL 사이에 크지만 음의 전압이 인가되어 반대 방향으로 전류 흐름을 생성한다.

 

  STT-RAM의 장점은 일반적인 NVM에서 설명한 것과 동일하다. 즉, 낮은 전력 소비량과 작은 Cell의 크기이다. SRAM과 비교해서 4 배 더 높은 밀도를 달성할 수있으며 훨씬 더 높은 밀도에 도달할 수도 있다.

  그러나 STT-RAM은 Latency의 비대칭성과 Memory Cell의 Read/Write 에서 에너지 소비와 관련된 문제를 야기한다. Read 작업을 수행할 때 Latency, Energy Consumption은 모두 SRAM과 비슷하지만 Write 작업을 수행할 때는 Latency, Energy Consumption이 SRAM과 비교할때 훨씬 더 높다.