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高可靠、高性能的存储器一直以来都是宇航系统最急需的产品之一。磁阻式随机存储器(MRAM)自上世纪90 年代以来获得了高速的发展,目前和铁电存储器(FRAM)、阻变存储器(RRAM)以及相变存储器(PRAM)等被认为是最具潜力的新型存储器。 MRAM 记忆状态的保持是依靠磁矩的方向,而不是电荷,这种记忆保存的非易失性使得MRAM具有非挥发性优点,更重要的是其在抗电离辐射方面具有先天的优势。MRAM与目前常用存储器相比,具有一定优势。 MRAM同几种常用存储器的比较 主要性能 | SRAM | DRAM | FLASH | FRAM | MRAM | 存储特性 | 易失 | 易失 | 非易失 | 非易失 | 非易失 | 读取速度 | 1.1ns | 10ns | 10~50ns | 30~40ns | <60ns | 写入速度 | -- | 10ns | 10μs | 100ns | 10ns | 可读写持续性 | 无限 | 无限 | 105 | 109~1012 | >1015 | 单元密度 | 40/F2 | 10/F2 | 4/F2 | 8/F2 | 6~12/F2 | 功耗 | 低 | 高 | 10~100mW | >10mW | <10 mW | 6 {6 X3 b$ F0 e2 Y7 B2 A
当前MRAM已逐步在宇航型号中应用,现对国内某款3D封装256k×32bit的MRAM,开展重离子单粒子效应试验,对该器件在轨翻转率进行预计,同时给出应用建议。 该存储器工作电压3.0V~3.6V,数据宽度32bit,快速读写周期35ns,并且与传统SRAM时序兼容,无需重新设计控制器,可以替代FLASH、SRAM、EEPROM等使用。利用HI-13串列静电加速器的F、Cl、Ge离子开展试验,离子参数见下表。 试验用重离子及其特性 离子种类 | 能量(MeV) | LET (MeV·cm2/mg) | 射程(μm) | F | 115 | 4.06 | 87.9 | Cl | 138 | 13.9 | 38.9 | Ge | 230 | 37.0 | 32.8 |
单粒子试验在常温空气下进行,试验过程中实时监测器件单粒子翻转和工作电流。试验结果如下表。 辐照粒子 | LET值MeV·cm2/mg | | | SEU | SEL数 | SEU数 | | Ge | 37.3 | 8700 | 2.36E+06 | 129 | 1.83E-5 | 0 | Ge | 37.3 | 8700 | 8.89E+06 | 100 | 0 | Cl | 13.1 | 10000 | 1.00E+07 | 32 | 1.60E-6 | 0 | Cl | 13.1 | 10000 | 1.00E+07 | 0 | 0 |
因为MRAM存储单元采用NMOS管与MTJ集成工艺,物理上不存在PNPN寄生结构,不会产生单粒子锁定效应,而且由于数据写入之后,其数值取决于MTJ的磁阻状态,单粒子入射产生瞬态电流不会影响MTJ的磁阻状态,因此,MRAM的存储单元不会发生单粒子翻转。但外围读写电路采用CMOS工艺制造,存在发生单粒子效应的风险,因此需在设计上进行加固。 通过试验可以发现,电路在LET值为37.3MeV.cm2/mg的Ge离子辐照下,MRAM电路未发生单粒子锁定现象,可见其单粒子锁定阈值大于37MeV.cm2/mg,而单粒子翻转阈值大于4.2MeV.cm2/mg。利用单粒子翻转在轨预计软件进行计算,饱和截面取9.34E-81.60E-9cm2/器件,选用GEO轨道,Adams 90%最坏情况,3mm等效Al屏蔽模型,计算获取该MRAM的在轨翻转率为6.0E-4 Upsets/Device-Day,即4.57年翻转一次。 MRAM存储单元部分MTJ结具有天然抗辐照特性,但MRAM中CMOS外围电路易受辐照效应影响。因此,MRAM与SRAM等不同,其抗单粒子能力无法通过EDAC等方法进行加固,但由于存储单元不会受单粒子辐射影响,考虑可以通过定时刷新等软件方法进行加固,进而在节省硬件成本的情况下实现单粒子加固。此外,也可以针对外围CMOS电路的特殊性,进行设计加固,从而整体提升MRAM抗单粒子能力。
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