[論文レビュー] Ultra fast bit addressing in a magnetic memory matrix with crossed wire write line geometry

H. W. Schumacher|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2005

Magnetic properties of thin films被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、交差ワイヤー構造を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM）の超高速ビットアドレッシング方式を提案する。この方式では、サブナノ秒スケールの磁場パルスが自由層の磁化の制御されたプリセッションを誘発する。パルスパラメータを調整して半回転または1回転のプリセッションを達成することで、磁化のリバーブを抑制し、1 GHzを超える書き込みクロックレートを実現する。これにより、MRAMの速度とスケーラビリティが顕著に向上する。

ABSTRACT

An ultra fast bit addressing scheme for magnetic random access memories (MRAM) in a crossed wire geometry is proposed. In the addressing scheme a word of cells is programmed simultaneously by sub nanosecond field pulses making use of the magnetization precession of the free layer. Single spin simulations of the free layer dynamics show that the pulse parameters for programming an arbitrary word of the array can be chosen such that the magnetization of the cells to be written performs either a half or a full precessional turn during application of the programming pulse depending on the initial and final magnetization orientation of the addressed cells. Such bit addressing scheme leads to a suppression of the magnetization ringing in all cells of the memory array thereby allowing ultra high MRAM write clock rates above 1 GHz.

研究の動機と目的

• 高速でスケーラブルな磁気メモリアーキテクチャの要請に応えるため。
• 従来のMRAMアドレッシングにおける遅い書き込み速度や磁化リバーブの制限を克服するため。
• 複数のメモリセルを同時にプログラミングできるビットアドレッシング方式を開発するため。
• プリセッションダイナミクスの精密な制御により、配列全体における磁化リバーブを抑制するため。
• 実用的でスケーラブルな磁気メモリマトリクスにおいて、1 GHzを超える書き込みクロックレートを達成するため。

提案手法

• 本手法は、交差する書き込みラインを介してサブナノ秒スケールの磁場パルスを印加し、磁気トンネル接合の自由層における制御されたプリセッションを誘発する。
• パルスの振幅と継続時間は、初期状態および最終状態の磁化状態に応じて調整され、半回転または1回転のプリセッションを達成する。
• 磁化プリセッションのダイナミクスを活用することで、オーバーシュートやリバーブを伴わずに決定論的なスイッチングを実現する。
• 単一スピンシミュレーションを用いて自由層のダイナミクスをモデル化し、さまざまな初期および目的の磁化方向に対してパルス設計を検証する。
• 1つのプリセッションサイクル内にすべてのアドレス指定されたセルが目的の状態に到達するようにすることで、1つのワードライン全体を同時にプログラミング可能である。
• 幾何構造により高い空間分解能とスケーラビリティが実現され、正確な磁場制御によりクロストークが最小限に抑えられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブナノ秒スケールの磁場パルスを用いて、リバーブを最小限に抑えた磁気メモリセルの決定論的スイッチングを達成できるか？
• RQ2 プリセッションダイナミクスをどのように制御すれば、目的の磁化状態に応じて半回転または1回転のプリセッションを可能にすることができるか？
• RQ3 複数のセルを同時にプログラミングする際、磁化リバーブを誘発せずに必要なパルスパラメータは何か？
• RQ4 提案された方式は、スケーラブルな磁気メモリマトリクスにおいて1 GHzを超える書き込みクロックレートを達成できるか？
• RQ5 交差ワイヤー構造は、MRAMアーキテクチャにおいて高速でクロストークが少ないアドレッシングをどのように実現するか？

主な発見

• 提案されたアドレッシング方式により、制御されたプリセッションによるリバーブ抑制によって、1 GHzを超える書き込みクロックレートが実現された。
• サブナノ秒スケールの磁場パルスを用いることで、半回転または1回転のプリセッションを達成することで、複数のセルを同時に信頼性高くスイッチング可能である。
• 初期および最終磁化状態に応じたパラメータ最適化により、オーバーシュートを伴わない決定論的スイッチングが保証された。
• 単一スピンシミュレーションの結果、配列内のすべてのセルに対してリバーブが効果的に排除されたことが確認された。
• 本方式はスケーラブルであり、従来の交差ワイヤーMRAMアーキテクチャと互換性があり、高速動作が可能である。
• 自然なプリセッションダイナミクスを活用することで、エネルギー消費を最小限に抑えつつ完全なスイッチング忠実度を達成した。