Ключевые преимущества MRAM в аэрокосмической отрасли: радиационная стойкость, неограниченное количество циклов чтения/записи и низкое энергопотребление

Благодаря своим уникальным свойствам — радиационной стойкости, неограниченному количеству циклов чтения/записи и низкому энергопотреблению — MRAM (магниторезистивная оперативная память) становится предпочтительным выбором для нового поколения космических запоминающих устройств. В этой статье мы подробно разберем ключевые преимущества и области применения MRAM в аэрокосмической сфере.

По данным ЕКА (Европейского космического агентства), 40% сбоев спутников вызваны ошибками памяти, спровоцированными радиацией. Благодаря своим характеристикам, таким как радиационная стойкость, MRAM становится оптимальным решением для нового поколения космической памяти.

Почему в аэрокосмической отрасли нужна специализированная память?

В те времена, когда технологии MRAM ещё не существовало, в электронных платах космического оборудования обычно использовалась DRAM или SRAM, прошедшая процедуру радиационного упрочнения от производителя чипов. Эти решения дополнялись: многократным резервированием (одни и те же данные сохранялись в нескольких запоминающих устройствах, и если данные в одном из них искажались под воздействием радиации, для их исправления использовались данные из других), алгоритмами коррекции ошибок (ECC), которые с помощью программного и аппаратного обеспечения вычисляли контрольные суммы для данных, позволяя восстанавливать их в случае радиационных искажений, и сторожевыми таймерами (аппаратными таймерами, которые периодически проверяли состояние памяти и автоматически инициировали перезагрузку, если радиация приводила к ошибкам, заставлявшим процессор входить в ошибочный цикл).

Эти решения требовали сложной аппаратной и программной координации, особенно многократное резервирование и алгоритмы коррекции ошибок, которые потребляли вычислительную мощность микроконтроллера. Эта мощность могла бы быть использована для "настоящих" расчетов полётных данных. Так появилась технология MRAM.

Почему именно MRAM?

Главные преимущества MRAM — это радиационная стойкость, низкое энергопотребление, долгий срок службы и неограниченное количество циклов чтения/записи.

Радиационная стойкость

В космосе космические аппараты постоянно подвергаются воздействию высокоэнергетических космических лучей и заряженных частиц, которые могут нарушить или уничтожить данные в традиционных запоминающих устройствах (таких как SRAM и DRAM). MRAM использует магнитные материалы для хранения данных. Возмущения заряда, вызванные космическими лучами, не могут изменить направление магнитных доменов — это и является основной причиной естественной радиационной стойкости MRAM.

Отчет NASA за 2019 год указывает: спутники на околоземной орбите ежегодно сталкиваются с более чем 5000 однократных событий опрокидывания, 23% из которых приводят к повреждению критически важных данных.

Принцип радиационной стойкости

Хранение данных в традиционных DRAM и SRAM основано на электрическом заряде (например, наличие заряда означает "1", его отсутствие — "0"). Высокоэнергетическая радиация в космической среде генерирует большое количество пар "электрон-дырка", что приводит к:

• Однократному сбою (Single Event Upset, SEU): Изменению исходного состояния заряда в ячейке памяти, что приводит к изменению данных с 1 на 0 или с 0 на 1.
• Однократному защёлкиванию (Single Event Latch-up, SEL): Формированию низкоомного пути в КМОП-устройствах, что вызывает протекание большого тока и может привести к выгоранию чипа.

MRAM же опирается на направление намагниченности магнитных доменов, а не на заряд, что обеспечивает ей естественную радиационную стойкость.

Пояснение к схеме:

• Фиксированный магнитный слой (Fixed Magnetic Layer / Reference Layer): Направление намагниченности этого слоя является постоянным (красный слой на схеме, намагниченность направлена вправо).
  • Его магнитный материал специально обработан для получения высокой коэрцитивной силы, что делает его устойчивым к внешним магнитным полям или радиационным возмущениям.
• Туннельный барьерный слой (Tunnel Barrier Layer):
  • Очень тонкий изоляционный слой, обычно состоящий из оксида магния (MgO) или оксида алюминия (AlOx).
  • Он отделяет фиксированный магнитный слой от свободного, но позволяет электронам проходить через него за счет квантового туннельного эффекта.
• Свободный магнитный слой (Free Magnetic Layer):
  • Направление намагниченности этого слоя может быть изменено (синий слой на схеме).
  • Он обладает более низкой коэрцитивной силой, и его намагниченность может быть изменена с помощью тока записи или магнитного поля.
• Хранение данных:
  • Данные '0' (Anti-Parallel / Антипараллельное): Когда направление намагниченности свободного слоя противоположно фиксированному (один направлен влево, другой — вправо), сопротивление MTJ (магнитного туннельного перехода) высокое.
  • Данные '1' (Parallel / Параллельное): Когда направления намагниченности свободного и фиксированного слоёв совпадают (оба направлены вправо), сопротивление MTJ низкое.
  • Данные считываются путем измерения высокого или низкого сопротивления MTJ.

Тестирование радиационной стойкости

MRAM привлекает большое внимание в аэрокосмической, военной и других областях, где требуется высокая надежность, благодаря своей энергонезависимости, высокой скорости и низкому энергопотреблению. В этих условиях с высоким уровнем радиации, способность MRAM противостоять излучению становится критически важной. Тестирование радиационной стойкости MRAM в основном сосредоточено на двух аспектах: эффекте суммарной ионизирующей дозы (Total Ionizing Dose, TID) и однократном событии (Single Event Effect, SEE).

Эффект суммарной ионизирующей дозы (TID)

Эффект TID — это влияние, оказываемое на материал и производительность устройства накопленной энергией при длительном воздействии ионизирующего излучения (такого как рентгеновские лучи, гамма-излучение, протоны и электроны).

• Механизм возникновения TID: При прохождении ионизирующего излучения через материалы устройства образуются пары "электрон-дырка". Эти электроны и дырки захватываются в изоляционных слоях (например, в диоксиде кремния) или на границах раздела под действием электрического поля, что приводит к накоплению заряда внутри устройства.
• Влияние на устройство: Накопление заряда может вызвать смещение порогового напряжения транзисторов и увеличение токов утечки, что нарушает нормальную работу устройства. Когда накопленный заряд достигает определенного уровня, устройство может полностью выйти из строя.

Ячейки памяти MRAM в основном состоят из магнитных туннельных переходов (MTJ), принцип работы которых основан на изменении магнитосопротивления, а не на заряде. Поэтому, по сравнению с традиционной памятью, основанной на хранении заряда (например, SRAM или DRAM), MRAM обладает гораздо большей устойчивостью к TID. Однако периферийные КМОП-схемы MRAM всё ещё могут подвергаться воздействию TID. Эти схемы должны быть усилены с помощью резервирования или процесса изоляции на кремниевой подложке (например, технология RAD-PRO от Honeywell) для противодействия TID.

Однократное событие (Single Event Effect, SEE)

SEE — это явление, при котором одна высокоэнергетическая частица (например, тяжелый ион, протон или нейтрон), взаимодействуя с полупроводниковым устройством, за очень короткое время генерирует большое количество пар "электрон-дырка", что приводит к мгновенному или постоянному изменению функциональности устройства.

• Механизм возникновения SEE: Когда высокоэнергетическая частица проходит через полупроводниковый материал, она ионизирует большое количество заряда на своем пути, создавая область с высокой плотностью заряда. Если этот заряд будет собран чувствительным узлом, его потенциал может мгновенно измениться.
• Влияние на устройство: SEE может вызвать множество проблем, включая:
  • Однократное опрокидывание (Single Event Upset, SEU): Мгновенное изменение данных в ячейке памяти без повреждения самого устройства. Это наиболее распространенный вид SEE.
  • Однократное защёлкивание (Single Event Latch-up, SEL): Запуск паразитной тиристорной структуры в КМОП-устройстве, что приводит к протеканию большого тока и может вызвать необратимое повреждение устройства.
  • Однократное выгорание (Single Event Burnout, SEB): В мощных устройствах большой ток может вызвать локальный перегрев, что приводит к необратимому повреждению.
  • Однократный пробой затвора (Single Event Gate Rupture, SEGR): Высокоэнергетическая частица пробивает оксидный слой затвора, вызывая короткое замыкание или необратимое повреждение затвора.

Сами ячейки памяти MRAM обладают чрезвычайно высокой устойчивостью к SEE. Поскольку их состояние хранения данных зависит от направления магнитных доменов, а не от заряда, мгновенный заряд, создаваемый одной высокоэнергетической частицей, не может изменить полярность магнитных доменов, и, следовательно, SEU не происходит. Это дает MRAM значительное преимущество в приложениях, требующих высокой надежности. Однако периферийные КМОП-схемы MRAM по-прежнему могут подвергаться воздействию SEE, поэтому в их конструкции обычно применяются технологии упрочнения, такие как резервные цепи, обнаружение и исправление ошибок (EDAC), чтобы обеспечить устойчивость всего чипа к SEE.

(Справка: MRAM Technology Status | NASA Electronic Parts and Packaging (NEPP) Program Office of Safety and Mission Assurance)

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) использует 16-мегабитную MRAM от Everspin (модель MR4A16B) в качестве кэша для системы управления ориентацией. Во время мощной солнечной вспышки в 2022 году она работала без ошибок, в то время как традиционная SRAM вызвала 4 коррекции ошибок ECC, что привело к задержке реакции системы на 12 мс.

Энергонезависимость, низкое энергопотребление и неограниченное количество циклов чтения/записи

Помимо радиационной стойкости, MRAM обладает универсальными преимуществами: энергонезависимостью, низким энергопотреблением и неограниченным количеством циклов чтения/записи.

Энергонезависимость

В аэрокосмической сфере для записи полетных журналов необходимо, чтобы данные сохранялись даже после отключения питания. В отличие от SRAM и DRAM, которым требуется постоянное питание, MRAM полностью сохраняет данные после его отключения.

Быстрая скорость чтения/записи и неограниченный срок службы

Хотя флеш-память также является энергонезависимой, её скорость чтения/записи относительно низка, а количество циклов стирания/записи ограничено. Это делает флеш-память непригодной для сценариев, требующих частой записи, например, для высокочастотной регистрации данных, кэширования или в операционных системах реального времени. MRAM же имеет скорость чтения/записи, близкую к SRAM, и неограниченный срок службы. В сочетании с её энергонезависимостью, она заполняет пробел между SRAM/DRAM (быстрая, но энергозависимая) и флеш-памятью (энергонезависимая, но медленная и с ограниченным сроком службы).

Низкое энергопотребление

Благодаря своей энергонезависимости, MRAM практически не потребляет энергию в режиме ожидания, так как ей не требуется постоянное обновление конденсаторов, как DRAM, или постоянное питание, как SRAM, для сохранения данных. Это огромное преимущество для устройств с батарейным питанием (таких как IoT-устройства, носимые гаджеты) и для космических аппаратов, где энергоресурсы очень ценны.

Практические примеры

MRAM применяется в аэрокосмической сфере для систем управления ориентацией спутников, в марсоходах и ракетах-носителях.

MEMS-устройство Tohoku-AAC (TAMU)

Устройство TAMU было разработано в сотрудничестве между шведской компанией MEMS Angstrom Aerospace Corporation (AAC) и кафедрой аэрокосмической инженерии Университета Тохоку, Япония. Полное устройство TAMU показано на рисунке 6.1-1. Это устройство было установлено на спутник Sprite-Sat, который вышел на полярную орбиту высотой 680 км в качестве вторичной полезной нагрузки спутника IBUKI от Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA). Основной целью AAC была оценка производительности их технологий металлизации тонких плёнок и флип-чип-монтажа, но внутри TAMU использовались различные коммерческие компоненты, включая MRAM от Everspin, конденсаторы BME (Base Metal Electrode) и ПЛИС Actel ProASIC.

Миссии НАСА:

НАСА и его партнёрские организации, такие как Лаборатория реактивного движения (JPL), постоянно оценивают и используют MRAM. Учитывая неизбежную радиационную среду в космических миссиях, НАСА очень ценит высокую надежность MRAM. MRAM обычно используется как:

• Хранилище данных: Для хранения критически важного программного обеспечения, кода программ и данных конфигурации на борту космических аппаратов.
• Черный ящик: Энергонезависимость и высокая надёжность MRAM делают её идеальным выбором для записи полетных данных и телеметрической информации, поскольку она сохраняет данные даже в случае сбоя питания или серьёзного происшествия.
• Мгновенный запуск (Instant-on): В системах, требующих быстрой загрузки и переконфигурации, MRAM может хранить загрузочный код, обеспечивая практически мгновенный отклик при включении.

Производители MRAM

Everspin, Honeywell и Aeroflex занимаются разработкой и производством MRAM.

Everspin

По состоянию на 2025 год Everspin является пионером в коммерциализации технологии MRAM. Она выросла из MRAM-подразделения компании Freescale (ныне приобретенной NXP) и выпустила свой первый коммерческий MRAM-продукт еще в 2008 году. Это преимущество первопроходца позволило компании накопить огромный опыт и интеллектуальную собственность в области исследований и разработок, итераций продуктов и рыночных приложений.

В то время как другие крупные производители больше сосредоточены на eMRAM (встроенной MRAM), Everspin доминирует на рынке дискретных MRAM-чипов. Это означает, что они производят отдельные микросхемы памяти, которые можно напрямую устанавливать на печатную плату, удовлетворяя потребности клиентов, которым требуется высокопроизводительный, энергонезависимый кэш или хранилище данных.

Эти дискретные продукты нашли нишевое применение в таких отраслях, как промышленность, корпоративные системы хранения данных, аэрокосмическая отрасль и высокопроизводительные вычисления, где целостность данных, скорость чтения/записи и надежность являются критически важными требованиями.

В настоящее время Everspin производит две основные категории MRAM:

Компания 3D Plus специализируется на предоставлении высоконадежных, радиационно-стойких модулей памяти для космических аппаратов, в которые интегрированы чипы MRAM от Everspin и других компаний. Их модули MRAM используются в нескольких проектах Европейского космического агентства (ЕКА) и других национальных космических агентств.

Посмотреть все продукты Everspin MRAM

У TrustCompo Electronic большой запас Everspin Toggle MRAM на складе. Нажмите кнопку ниже, чтобы выбрать подходящий продукт.

Перейти к списку продуктов

Honeywell

Honeywell — ведущая международная диверсифицированная высокотехнологичная производственная компания, работающая в сферах авиации, систем управления зданиями, специальных материалов, а также решений для безопасности и производительности. Будучи гигантом в аэрокосмической отрасли, Honeywell поставляет передовую авионику, двигательные системы и решения для производителей самолетов, авиакомпаний, аэропортов и правительств. Компания имеет давнюю историю разработки высоконадежных и радиационно-стойких электронных компонентов, особенно для военного и аэрокосмического применения.

Продукты MRAM от Honeywell — это, как правило, встроенные решения для хранения данных, интегрированные в более сложные авионические модули или бортовые компьютеры космических аппаратов. Их модели продуктов обычно содержат обозначения, такие как "HT", "S" или "M", указывающие на высокую надежность или военный/космический класс.

• Авиационные запоминающие устройства: Honeywell использует MRAM в своих системах управления полётом, навигационном оборудовании и бортовых компьютерах для хранения полетных программ, данных конфигурации и логов.
• Модули памяти для космических аппаратов: Honeywell поставляет MRAM-решения НАСА и другим космическим агентствам для использования в бортовых компьютерах спутников и блоках обработки данных, чтобы обеспечить целостность данных в суровых условиях космоса.
• Промышленные системы управления: В промышленных приложениях с жесткими требованиями к условиям окружающей среды MRAM от Honeywell также используется в качестве энергонезависимой памяти в регистраторах данных и контроллерах, чтобы гарантировать стабильную работу оборудования даже при экстремальных температурах или электромагнитных помехах.

TrustCompo рекомендует вам следующую MRAM, гарантируя качество и выгодную цену.

Акция TrustCompo: Everspin MR25H40CDF, всего $14

4 МБ, последовательный интерфейс SPI 3.3V, MR25H40CDF имеет неограниченное количество циклов чтения и записи, долгий срок службы и низкое энергопотребление. Может использоваться в носимых устройствах, промышленном контроле, умном доме и других областях.

Перейти к покупке

Технические проблемы и перспективы на будущее

Давайте рассмотрим процесс развития трёх поколений MRAM.

Несмотря на значительный прогресс, коммерциализация и широкое применение MRAM всё еще сталкиваются с некоторыми проблемами.

Технические проблемы

• Масштабирование и интеграция: Хотя STT-MRAM и SOT-MRAM добились огромного прогресса в масштабировании, вопрос о том, как сохранить стабильность, ёмкость и сопротивление ячеек MTJ при меньших размерах, остается нерешенным.
• Эффективность записи и энергопотребление: SOT-MRAM все еще нуждается в дальнейшем повышении эффективности записи, чтобы её энергопотребление стало конкурентоспособным в большем количестве сценариев применения.
• Совместимость с КМОП-технологией: Процесс производства MRAM-ячеек отличается от стандартного технологического процесса КМОП-логики. Идеальная интеграция MRAM в существующие производственные процессы без ущерба для производительности и выхода годных кристаллов является сложной задачей.
• Цена: В настоящее время стоимость единицы хранения данных MRAM всё ещё выше, чем у DRAM и NAND Flash, что ограничивает её массовое применение на потребительском рынке.

Перспективы на будущее

Будущее развитие MRAM полно потенциала, особенно в следующих областях:

• Встроенная MRAM (eMRAM): MRAM становится основным выбором для встроенной памяти, заменяя традиционную eFlash. Она будет интегрироваться с логическими чипами, такими как микроконтроллеры (MCU) и чипы искусственного интеллекта (AI), для предоставления высокопроизводительных, энергонезависимых решений с низким энергопотреблением.
• Технологии MRAM следующего поколения: SOT-MRAM становится направлением исследований для MRAM нового поколения. Будущие исследования будут сосредоточены на поиске более эффективных спинтронных материалов и оптимизации структуры устройств, чтобы еще больше снизить энергопотребление при записи и увеличить скорость записи.
• Новые области применения: Уникальные преимущества MRAM делают её идеальным выбором для устройств Интернета вещей (IoT), носимой электроники, граничных вычислений и автомобильной электроники. Эти области применения предъявляют строгие требования к низкому энергопотреблению, энергонезависимости и высокой надежности.
• Замена DRAM: Несмотря на существующие технические и стоимостные проблемы, MRAM имеет потенциал стать сильным конкурентом DRAM следующего поколения. Её энергонезависимость может упростить проектирование системы, снизить энергопотребление и обеспечить более быстрое время запуска.

В целом, MRAM постепенно превращается из нишевой технологии в основную технологию хранения данных. Решая проблемы энергопотребления, стоимости и интеграции, она, как ожидается, получит более широкое распространение в ближайшие годы.

С помощью этой статьи мы подробно изучили, как MRAM помогает обеспе