ความรู้เบื้องต้นของ Spin-Torque Transfer MRAM (STT-MRAM)

ความรู้เบื้องต้นของ Spin-Torque Transfer MRAM (STT-MRAM)

รองศาสตราจารย์ ดร. วันชัย ไพจิตโรจนา
ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์
 
                ในปัจจุบัน การเก็บข้อมูลเป็นสิ่งที่จำเป็นในชีวิตประจำวัน ดังนั้นเทคโนโลยีการบันทึกข้อมูลหรือหน่วยความจำจึงมีความสำคัญในลำดับอย่างมาก ถ้าพูด ถึงหน่วยความจำแบบโซลิดสเตท สำหรับวงการอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน มีอยู่ 3 ชนิดหลักด้วยกัน นั่นก็คือ SRAM (Static Random Access Memory) DRAM (Dynamic Random Access Memory) และ Flash โดยที่ SRAM มีข้อดีคือ มีความเร็วสูงในการอ่านและเขียนข้อมูล กินไฟต่ำ มีอายุการใช้งานยาวนาน และสามารถนำไปใช้ร่วมกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เช่นหน่วยประมวลผล ได้โดยตรง แต่อย่างไรก็ตาม หน่วยความจำชนิดนี้ไม่สามารถรักษาข้อมูลไว้ได้ เมื่อไม่มีไฟเลี้ยง นั่นคือเป็นหน่วยความจำไม่ถาวร (volatile) และนอกจากนั้นยังใช้เนื้อที่ (footprint) ในการเก็บข้อมูลขนาดใหญ่ เมื่อเทียบกับหน่วยความจำแบบอื่นๆ หน่วยความจำแบบ DRAM มีคุณสมบัติเช่นเดียวกับ SRAM แต่มีข้อดีตรงที่ใช้เนื้อที่ในการเก็บข้อมูลน้อยกว่า ส่วนข้อเสียคือวิธีการปลูกผลึก (fabrication) เพื่อผลิตหน่วยความจำชนิดนี้ ไม่สามารถเข้ากับ มาตรฐานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ CMOS ได้ ส่วนหน่วยความจำชนิดสุดท้ายคือ หน่วยความจำแฟลช (flash memory) มีอยู่ด้วยกัน 2 แบบคือแบบการ์ดและแบบแท่ง ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย หน่วยความจำชนิดนี้เป็นหน่วยความจำถาวร โดยที่ยังคงความไวในการเขียน-อ่านข้อมูล ใช้เนื้อที่ในการเก็บข้อมูลน้อย และยังเข้ากันได้ดีกับมาตรฐานการผลิตชิพแบบ CMOS ได้อีกด้วย แต่หน่วยความจำชนิดนี้มีข้อจำกัดสำหรับอายุการใช้งานสั้น และกินไฟมากในขณะที่ทำการเขียนข้อมูล จะเห็นว่าหน่วยความจำทั้ง 3 ชนิดมีทั้งข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกัน และเป็นหน่วยความจำที่นิยมใช้กันอย่างแพร่ เมื่อเร็วๆนี้ได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีหน่วยความจำแบบโซลิดสเตท ชนิดอื่นๆ ขึ้นมา แต่หน่วยความจำเหล่านั้นก็ล้วนแต่ ไม่ได้มาตรฐานที่จะเป็นหน่วยความจำสากลได้เนื่องจาก ยังไม่สามารถเพิ่มขยาย ให้เป็นหน่วยเก็บข้อมูลต่อหนึ่งหน่วยปริมาตรที่มีความจุสูงได้ เช่นเดียวกับที่ยังไม่สามารถ เขียน-อ่านด้วยความเร็วสูงได้ ทั้งยังมีอายุการใช้งานที่สั้น ไม่สามารถเข้ากันได้กับชิพแบบ CMOS และยังไม่สามารถเป็นหน่วยความจำถาวรได้
                ไม่นานมานี้มีศาสตร์สาขาหนึ่งที่เรียกว่า สปิน ทรอนิกส์ (Spintronics) ที่นำไปสู่การปฏิวัติวงการเทคโนโลยีที่มีมูลค่ามหาศาล เป็นต้นว่าอุตสาหกรรมการผลิตฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ ซึ่งได้ใช้ปรากฏการณ์ทางด้านสนามแม่เหล็กที่เรียกว่า ความต้านทานเชิงสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่ (Giant Magnetoresistance; GMR) ในหัวอ่าน-เขียนของฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ เนื่องจากมีอัตราส่วนของสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง และมีความไว (sensitivity) ที่ดีมาก หัวอ่าน-เขียนแบบ GMR นี้ ช่วยทำให้ขนาดทางกายภาพของอุปกรณ์ มีขนาดเล็กลงอย่างมาก ในขณะที่ความจุในการเก็บข้อมูลเพิ่มสูงขึ้น อีกเทคโนโลยีหนึ่งทางด้านสปินทรอนิกส์ คือ MTJ (Magnetic Tunneling Junction) ที่มีบทบาทสำคัญในการพัฒนา หน่วยความจำชนิด MRAM (Magnetic Random Access Memory) MTJ เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากการนำเอาชั้นบางของสารฉนวน (thin insulating tunnel barrier) มาคั่นตรงกลางระหว่างชั้นบางของสารแม่เหล็กดังรูปที่ ๑ และ ๒
 
Description: STTRAM Illustration
รูปที่ ๑ ลักษณะของชั้นบางแบบ MTJ [1]
 
Description: stt2.bmp
รูปที่ ๒ ลักษณะของชั้นบางแบบ MTJ [3]
 
จากรูปที่ ๑ การเก็บข้อมูลหนึ่งบิตซึ่งคือ 0 หรือ 1 จะใช้สถานะของค่าความเป็นแม่เหล็กที่สัมพัทธ์ (relative magnetization) สถานะของข้อมูลที่เก็บในหน่วยความจำแบบ MTJ นี้จะถูกอ่านได้โดยการปล่อยกระแสผ่านหน่วยความจำแบบ MTJ นอกจากนี้จะเห็นว่าชั้นบางของสารแม่เหล็กทั้งสองชั้น ไม่ต้องการไฟเลี้ยงเพื่อที่จะรักษาสถานะของค่าความเป็นแม่เหล็ก ด้วยเหตุนี้สถานะของหน่วยความจำแบบ MTJ จึงถูกรักษาไว้ได้ตลอดเวลา ถึงแม้จะไม่มีไฟมาเลี้ยง การเปลี่ยนแปลงของสถานะของหน่วยความจำแบบ MTJ จะถูกควบคุมโดยกระแสที่ไหลผ่าน รูปแบบการทำงานเช่นนี้นำไปสู่การสร้างอุปกรณ์หน่วยความจำแบบ MRAM ซึ่งกลไกการเปลี่ยนแปลง (switching) ของสถานะของหน่วยความจำแบบ MTJ นี้เป็นปัญหาหลักที่ถูกนำมาพิจารณา เมื่อหน่วยความจำชนิดนี้มีขนาดที่เล็กลงๆ
                มีการค้นพบปรากฏการณ์ที่สำคัญเมื่อไม่นานมานี้ นั่นคือปรากฏการณ์ การถ่ายโอนแรงบิด (Spin-transfer torque; STT) ซึ่งเป็นผลของสถานะการสปินเชิงแม่เหล็ก (magnetic spin states) ของอิเล็กตรอน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้า แก่ทิศทางของค่าความเป็นแม่เหล็กของชั้นบางของสารแม่เหล็ก วัสดุที่ใช้ทำชั้นบางนี้เป็นสารแม่เหล็กชนิดเฟอร์โร (ferromagnetic material) เช่น เหล็ก (iron) ซึ่งจะมีค่าความเป็นแม่เหล็กแบบถาวร เพราะคุณสมบัติทางแม่เหล็ก ของทุกอะตอมในสารแม่เหล็กมีทิศทางเดียวกัน นอกจากนั้นเนื่องจากอิเล็กตรอนแต่ละตัว มีการเรียงตัวเชิงแม่เหล็กภายใน (intrinsic magnetic alignment) ด้วย โดยเราให้นิยาม ทิศทางของการหมุนรอบตัวเองของอิเล็กตรอนว่า สปิน และเมื่ออิเล็กตรอนเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์ (interaction) กับสารแม่เหล็กชนิดเฟอร์โร  ในแบบที่ไม่ปกติธรรมดา ยกตัวอย่างเช่น กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านสารแม่เหล็กชนิดเฟอร์โรได้ดี ถ้าสปินของอิเล็กตรอนมี ทิศทางเดียวกับทิศทางของค่าความเป็นแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม ยังมีปรากฏการณ์อื่นๆที่เกิดขึ้นนอกเหนือจากนี้ นั่นคือกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านชั้นบาง ยังสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของทิศทางของค่าความเป็นแม่เหล็กได้ด้วย ทั้งนี้เกิดจากการที่ เมื่ออิเล็กตรอนมีทิศทางการสปิน ตรงกันข้ามกับทิศทางของค่าความเป็นแม่เหล็ก ของสารแม่เหล็ก เมื่อเคลื่อนที่ผ่านชั้นบางของสารแม่เหล็ก จะก่อให้เกิดแรงบิด (torque) ระหว่างอิเล็กตรอนกับสารแม่เหล็กขึ้น โดยหลักการแล้วถ้ากระแสไฟฟ้ามีปริมาณมากพอ จะสามารถก่อให้เกิดแรงบิด ที่มากพอที่จะสามารถเปลี่ยนทิศทางของค่าความเป็นแม่เหล็กของสารแม่เหล็กได้ ดังรูปที่ ๓
 
Description: SpinTransfer
รูปที่ ๓ แสดงลักษณะการสปินของอิเล็กตรอนที่ผลต่อชั้นบางของสารแม่เหล็กแบบเฟอร์โร [2]
 
ประโยชน์ที่ได้จากปรากฏการณ์นี้ คือการนำไปใช้สร้างหน่วยความจำเชิงแม่เหล็ก (Random Access Memory; MRAM) การอ่าน-เขียนของหน่วยความจำชนิดนี้ ทำโดยการเปลี่ยนทิศทาง ของค่าความเป็นแม่เหล็กของชั้นบางของสารแม่เหล็กแบบเฟอร์โร ที่มีขนาดเล็กมากๆ ให้มีทิศทางเดียวกันหรือทิศทางตรงกันข้าม กับทิศทางของค่าความเป็นแม่เหล็กของชั้นบางของสารแม่เหล็กชั้นถัดไป ซึ่งทิศทางของค่าความเป็นแม่เหล็กของชั้นบางชั้นนี้ จะถูกยึดไว้ไม่ให้มีการเปลี่ยนแปลง (fixed layer) เมื่อกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านชั้นบางทั้งสองชั้น จะมีปริมาณที่แตกต่างกัน เนื่องมาจากเกิดค่าความต้านทานสูงหรือต่ำ เป็นผลมาจากทิศทางของค่าความเป็นแม่เหล็กของชั้นบางทั้งสอง นั่นคือ ถ้าทิศทางของค่าความเป็นแม่เหล็กของชั้นบางทั้งสองตรงกันข้ามกัน จะได้ค่าความต้านทานสูง กระแสไหลได้น้อย ซึ่งจะหมายถึงค่าบิต 0 แต่ถ้ามีทิศทางเดียวกัน ความต้านทานจะต่ำ กระแสก็จะไหลได้มาก จะหมายถึงบิต 1 ส่วนการเขียนและการเขียนซ้ำ (write and rewrite) ทำได้โดยการให้กระแสในปริมาณที่มากพอที่จะทำให้เกิดแรงบิดเพื่อทำให้เกิดการกลับทิศ (flip) ของทิศทางของค่าความเป็นแม่เหล็กของชั้นบางที่เป็นอิสระ (free layer) ดูรูปที่ ๑ ซึ่งการนี้จะทำให้เกิดการเขียนบิตข้อมูลขึ้นหรือเป็นการเขียนซ้ำบิตข้อมูลนั่นเอง
 
Description: untitledstt1.bmp
       (ก)                                                                   (ข)
รูปที่ ๔ เปรียบเทียบโครงสร้างของหน่วยความจำแบบเก่า (ก) กับหน่วยความจำแบบใหม่ (ข) [3]
 
Description: stt3.bmp
รูปที่ ๕ โครงสร้างของ MTJ แบบตั้งฉาก [3]
 
                ดังนั้นหน่วยความจำแบบ STT-MRAM จึงเป็นอนาคตของหน่วยความจำสากล ที่มีคุณสมบัติที่ดีครบถ้วนตามมาตรฐานสากล ซึ่งนักวิจัยทั่วโลกได้ให้ความสนใจและทำการวิจัยกันอย่างต่อเนื่อง เพื่อพัฒนาหน่วยความจำชนิดนี้ให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นเรื่อยๆ โดยการรวมเอาจุดแข็งต่างๆ เข้าด้วยกันและพยามลดจุดอ่อนลง ทำให้เป็นการเพิ่มสมรรถนะของหน่วยความจำชนิดนี้ให้สูงขึ้น และลดการใช้ไฟให้น้อยลงไป รวมไปถึงการต้องพิจารณาถึงจุดที่เหมาะสม เมื่อขนาดของหน่วยความจำมีขนาดเล็กลง ซึ่งมีผลอย่างอื่นที่ไม่ต้องการตามมา จากการพยายามลดขนาดลง นั่นคือ จะต้องมีการศึกษาจุดที่เหมาะสมที่สุด ในการออกแบบหน่วยความจำชนิดนี้
 

เอกสารอ้างอิง
1.               D. Shenoy, Spin Torque Transfer-Random Access Memory (STT-RAM), Microsystems Technology Office (MTO), Defense Advanced Research Project Agency (DARPA), U.S.A.
2.               Center for Nanoscale Science and Technology, National Institute of Standards and Technology, U.S.A.
3.               Y. Huai, Spin-Transfer Torque MRAM (STT-MRAM): Challenges and Prospects, AAPPS Bulletin, vol.18, no. 6, December 2008.

 

Back to E-magazine List
 

ECTI Association
99 M.18 Paholyothin Rd., Klong Luang, Pathumthani 12120, THAILAND
E-mail: ecti.secretary@gmail.com
Find us on: