MRAM คืออะไร? หน่วยความจำที่ใช้ “แม่เหล็ก” เก็บข้อมูล 0 และ 1
What You’ll Learn
บทความนี้จะพาไปรู้จัก MRAM ตั้งแต่หลักการเก็บข้อมูลด้วยสถานะแม่เหล็ก, การทำงานของ MTJ ไปจนถึงความแตกต่างระหว่าง STT-MRAM และ SOT-MRAM รวมถึงจุดเด่นและการนำไปใช้งานในระบบ Electronics และ Embedded Systems
MRAM คืออะไร? หน่วยความจำความเร็วสูงที่ใช้แม่เหล็กในการเก็บข้อมูล
ในโลกของ Electronics และ Embedded Systems หน่วยความจำเป็นหนึ่งในส่วนประกอบสำคัญของระบบ ตั้งแต่ Microcontroller, IoT, Automotive ไปจนถึงอุปกรณ์ประมวลผลประสิทธิภาพสูง
ปัจจุบันเรามีหน่วยความจำหลายประเภท เช่น SRAM, DRAM, Flash และ EEPROM ซึ่งแต่ละชนิดมีจุดเด่นแตกต่างกัน บางประเภทมีความเร็วสูง แต่ข้อมูลจะหายไปเมื่อไม่มีไฟเลี้ยง ขณะที่บางประเภทสามารถเก็บข้อมูลได้แม้ปิดเครื่อง แต่มีข้อจำกัดด้านความเร็วหรือจำนวนครั้งในการเขียนข้อมูล
จึงเกิดความพยายามในการพัฒนาหน่วยความจำที่สามารถรวมข้อดีของทั้งสองแนวทางเข้าด้วยกัน นั่นคือ MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory)
MRAM เป็นหน่วยความจำแบบ Non-volatile Memory ที่ใช้คุณสมบัติทางแม่เหล็กในการจัดเก็บข้อมูล แทนที่จะเก็บข้อมูลด้วยประจุไฟฟ้าเหมือนหน่วยความจำบางประเภท
แนวคิดนี้เกี่ยวข้องกับศาสตร์ที่เรียกว่า Spintronics หรือ Spin Electronics ซึ่งนำคุณสมบัติของ Spin ของอิเล็กตรอนมาใช้ร่วมกับอุปกรณ์ Semiconductor เพื่อควบคุมและจัดเก็บข้อมูล
Spintronics คืออะไร?
ก่อนที่จะเข้าใจ MRAM เราต้องรู้จักแนวคิดของ Spintronics กันก่อน
Electronics ที่เราใช้งานทั่วไปอาศัยการควบคุมการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า หรือ Electron Charge เป็นหลัก แต่ Spintronics เพิ่มอีกหนึ่งคุณสมบัติของอิเล็กตรอนเข้ามา นั่นคือ Spin
Spin เป็นคุณสมบัติทางกลศาสตร์ควอนตัมของอนุภาค และมีความเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอิเล็กตรอน
แนวคิดสำคัญของ Spintronics คือ การนำคุณสมบัตินี้มาใช้ในการประมวลผลหรือจัดเก็บข้อมูล
แทนที่จะพิจารณาเพียงว่า “มีประจุไหลหรือไม่?”
ระบบ Spintronics ยังสามารถพิจารณาถึง “สถานะของ Spin เป็นอย่างไร?”
ซึ่งนำไปสู่แนวทางใหม่ในการสร้างอุปกรณ์ Semiconductor และหน่วยความจำ
หนึ่งในเทคโนโลยีที่นำแนวคิดนี้มาใช้อย่างชัดเจนก็คือ MRAM
MRAM คืออะไร?
MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory) คือหน่วยความจำที่ใช้สถานะทางแม่เหล็กในการจัดเก็บข้อมูล
จุดเด่นที่สำคัญของ MRAM คือเป็น Non-volatile Memory หมายความว่า ข้อมูลสามารถคงอยู่ได้แม้ไม่มีไฟเลี้ยง
แนวคิดของ MRAM แตกต่างจาก SRAM หรือ DRAM ที่ต้องอาศัยสถานะทางไฟฟ้าเพื่อรักษาข้อมูล และแตกต่างจาก Flash ที่ใช้การเก็บประจุในโครงสร้างของเซลล์หน่วยความจำ
MRAM ใช้ Magnetic State เป็นตัวแทนของข้อมูล
พูดให้เข้าใจง่าย ๆ คือ
เปลี่ยนจากการเก็บข้อมูลด้วยสถานะทางไฟฟ้า มาเป็นการเก็บข้อมูลด้วยสถานะทางแม่เหล็ก
แต่คำถามสำคัญคือ แล้ว MRAM สามารถเปลี่ยนสถานะแม่เหล็กให้กลายเป็น “0” และ “1” ที่วงจรดิจิทัลเข้าใจได้อย่างไร?
คำตอบอยู่ที่ Magnetoresistive Effect
Magnetoresistive Effect
Magnetoresistive Effect คือปรากฏการณ์ที่ค่าความต้านทานทางไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปตามสถานะหรือทิศทางของสนามแม่เหล็กในวัสดุ
ใน MRAM เซลล์หน่วยความจำจะมีโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับชั้นแม่เหล็ก โดยหนึ่งในโครงสร้างสำคัญที่ใช้ใน MRAM คือ Magnetic Tunnel Junction (MTJ)
ภายใน MTJ มีชั้นแม่เหล็กที่ทำหน้าที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปจะมี Fixed Layer ซึ่งมีทิศทางแม่เหล็กคงที่ และ Free Layer ซึ่งสามารถเปลี่ยนทิศทางแม่เหล็กได้
ความสัมพันธ์ระหว่างทิศทางแม่เหล็กของชั้นเหล่านี้จะส่งผลต่อค่าความต้านทานของเซลล์
โดยมีสถานะสำคัญอยู่ 2 แบบ คือ Parallel และ Anti-parallel
| ทิศทางแม่เหล็ก | สถานะ | ความต้านทาน | กระแส | ข้อมูล |
|---|---|---|---|---|
| Parallel | P | ต่ำ | สูง | 0 |
| Anti-parallel | AP | สูง | ต่ำ | 1 |
Parallel (P)
เมื่อทิศทางแม่เหล็กของ Free Layer และ Fixed Layer ไปในทิศทางเดียวกัน จะเรียกว่า Parallel (P)
ในสถานะนี้ เซลล์จะมีค่าความต้านทานต่ำ ทำให้เมื่อจ่ายแรงดันเข้าไป กระแสสามารถไหลผ่านเซลล์ได้มากกว่า
สามารถอธิบายได้ว่า
Parallel → ความต้านทานต่ำ (Low Resistance) → กระแสสูง = ข้อมูล “0”
Anti-parallel (AP)
ในทางกลับกัน หากทิศทางแม่เหล็กของ Free Layer และ Fixed Layer อยู่ตรงข้ามกัน จะเรียกว่า Anti-parallel (AP)
สถานะนี้ทำให้ค่าความต้านทานของเซลล์สูงขึ้น เมื่อใช้แรงดันในระดับเดียวกัน กระแสที่ไหลผ่านจึงลดลง
สามารถอธิบายได้ว่า
Anti-parallel → ความต้านทานสูง (High Resistance) → กระแสต่ำ = ข้อมูล “1”
หัวใจสำคัญของ MRAM คือการใช้ สถานะทางแม่เหล็ก (Magnetic State) เป็นตัวแทนของข้อมูล “0” และ “1” แทนการเก็บข้อมูลในรูปของประจุไฟฟ้า
วงจร Read จึงสามารถตรวจสอบความแตกต่างของค่าความต้านทานหรือกระแสที่ไหลผ่าน แล้วแปลงผลลัพธ์ออกมาเป็นข้อมูลดิจิทัล “0” หรือ “1”
สามารถสรุปหลักการอ่านข้อมูลได้ง่าย ๆ ว่า
สิ่งสำคัญคือ MRAM ไม่ได้เก็บข้อมูล “0” และ “1” ในรูปของกระแสโดยตรง กระแสเป็นเพียงค่าทางไฟฟ้าที่ใช้ตรวจสอบสถานะของเซลล์ ขณะที่ข้อมูลจริงถูกแทนด้วย สถานะทางแม่เหล็กของ Free Layer
หมายเหตุ: การกำหนดว่า Parallel = 0 และ Anti-parallel = 1 เป็นรูปแบบที่พบได้ทั่วไป แต่ในอุปกรณ์หรือการออกแบบบางแบบ ผู้ผลิตอาจกำหนดค่า Logic กลับกันได้ ดังนั้นสิ่งที่เหมือนกันในหลักการคือ Parallel จะมีความต้านทานต่ำ ส่วน Anti-parallel จะมีความต้านทานสูง โดยการกำหนดว่าแต่ละสถานะเป็น “0” หรือ “1” ขึ้นอยู่กับการออกแบบของอุปกรณ์
แล้วทำไม MRAM จึงเป็น Non-volatile Memory?
จุดเด่นที่ตามมาจากการเก็บข้อมูลด้วยสถานะทางแม่เหล็กก็คือ Non-volatile
เนื่องจากสถานะแม่เหล็กของเซลล์สามารถคงอยู่ได้โดยไม่จำเป็นต้องมีไฟเลี้ยงตลอดเวลา เมื่อระบบถูกปิดหรือไฟเลี้ยงหายไป สถานะที่ใช้แทนข้อมูลยังคงอยู่
เมื่อจ่ายไฟกลับเข้ามา Read Circuit ก็สามารถตรวจสอบสถานะแม่เหล็กเดิมผ่านค่าความต้านทานของ MTJ และนำข้อมูลกลับมาใช้งานได้
นี่จึงเป็นความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง MRAM กับหน่วยความจำแบบ Volatile Memory เช่น SRAM และ DRAM ซึ่งต้องมีไฟเลี้ยงเพื่อรักษาสถานะของข้อมูล
ด้วยเหตุนี้ MRAM จึงสามารถรวมคุณสมบัติที่สำคัญสองด้านเข้าด้วยกัน คือ การเข้าถึงข้อมูลได้อย่างรวดเร็ว และความสามารถในการเก็บข้อมูลไว้ได้แม้ไม่มีไฟเลี้ยง
และนี่เองคือหนึ่งในเหตุผลที่ทำให้ MRAM ได้รับความสนใจในงาน Electronics และ Embedded Systems ตั้งแต่หน่วยความจำแบบ Embedded ไปจนถึง Cache และระบบประมวลผลประสิทธิภาพสูง
STT-MRAM และ SOT-MRAM ต่างกันอย่างไร?
MRAM ไม่ได้มีรูปแบบการทำงานเพียงแบบเดียว ความแตกต่างที่สำคัญอย่างหนึ่งของ MRAM แต่ละเทคโนโลยีคือ วิธีการเขียนข้อมูลลงในเซลล์หน่วยความจำ
ในปัจจุบันมีเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจอย่างมาก เช่น STT-MRAM (Spin Transfer Torque MRAM) และ SOT-MRAM (Spin Orbit Torque MRAM)
ทั้งสองเทคโนโลยียังคงอาศัยหลักการพื้นฐานของ MRAM คือการเปลี่ยนสถานะทางแม่เหล็กของ Free Layer เพื่อแทนข้อมูล แต่กลไกที่ใช้ในการเปลี่ยนทิศทางแม่เหล็กนั้นแตกต่างกัน
STT-MRAM
STT-MRAM (Spin Transfer Torque MRAM) เป็นเทคโนโลยี MRAM ที่ใช้ Spin Transfer Torque ในการเขียนข้อมูล
ก่อนหน้านี้เราได้เห็นว่า ข้อมูลใน MRAM ถูกเก็บด้วยทิศทางของ Magnetization ใน Free Layer ดังนั้นสิ่งสำคัญคือการหาวิธีเปลี่ยนทิศทางของชั้นนี้
สำหรับ STT-MRAM จะใช้ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน MTJ เป็นตัวสร้าง Spin Transfer Torque เพื่อเปลี่ยนทิศทางของ Free Layer
เมื่อ Free Layer เปลี่ยนทิศทาง สถานะของ MTJ ก็จะเปลี่ยนระหว่าง Parallel (P) และ Anti-parallel (AP) ส่งผลให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนไป และใช้แทนข้อมูล “0” หรือ “1”
1Tr1MTJ
STT-MRAM สามารถสร้าง Memory Cell ด้วยทรานซิสเตอร์ 1 ตัวร่วมกับ MTJ 1 ตัว หรือ 1Tr1MTJ
ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่ควบคุมการเข้าถึงเซลล์และกระแสสำหรับการอ่านและเขียน ขณะที่ MTJ ทำหน้าที่เก็บข้อมูลในรูปของสถานะแม่เหล็ก
โครงสร้างที่กะทัดรัดนี้ช่วยลดพื้นที่ของ Memory Cell และเพิ่มความหนาแน่นของหน่วยความจำ ทำให้ STT-MRAM มีศักยภาพสำหรับ Embedded Memory, Standalone Memory และ Cache Memory
อย่างไรก็ตาม การเขียนข้อมูลต้องให้กระแสไหลผ่าน MTJ โดยตรง จึงมีข้อจำกัดด้าน Write Current, ความเร็ว และความทนทานของ Tunnel Barrier
ข้อจำกัดเหล่านี้เป็นหนึ่งในเหตุผลที่มีการพัฒนา MRAM รูปแบบอื่น เช่น SOT-MRAM
SOT-MRAM
SOT-MRAM (Spin-Orbit Torque MRAM) ใช้แนวคิดที่แตกต่างจาก STT-MRAM โดยแยกเส้นทางการเขียนข้อมูลออกจาก MTJ
แทนที่จะให้กระแสไหลผ่าน MTJ โดยตรง SOT-MRAM จะเพิ่ม Channel Layer ซึ่งเป็นชั้นโลหะที่ไม่เป็นแม่เหล็กและอยู่ติดกับ Free Layer
เมื่อมีกระแสไหลผ่าน Channel Layer จะเกิด Spin-Orbit Torque ซึ่งสามารถเปลี่ยนทิศทาง Magnetization ของ Free Layer ได้
2Tr1MTJ
การแยกเส้นทาง Write และ Read ทำให้ SOT-MRAM โดยทั่วไปใช้โครงสร้าง 2Tr1MTJ หรือ 2 Transistors + 1 MTJ
ข้อดีคือกระแส Write ไม่ต้องไหลผ่าน Tunnel Barrier ของ MTJ โดยตรง จึงมีศักยภาพในการเพิ่ม ความเร็วและความทนทานในการเขียนข้อมูล
ข้อแลกเปลี่ยนคือ SOT-MRAM ต้องใช้ทรานซิสเตอร์มากกว่า STT-MRAM ทำให้ Memory Cell มีขนาดใหญ่กว่า
ด้วยเหตุนี้ SOT-MRAM จึงเหมาะกับงานที่ให้ความสำคัญกับ ความเร็วและความทนทาน เช่น High Performance Computing (HPC) และ Processor สำหรับงาน AI ที่ต้องการ Cache Memory ความเร็วสูงและ Bandwidth สูง
STT-MRAM vs SOT-MRAM
หากเปรียบเทียบในภาพรวม ทั้งสองเทคโนโลยีใช้แนวคิดเดียวกัน คือการเปลี่ยน Magnetization ของ Free Layer เพื่อจัดเก็บข้อมูล แต่แตกต่างกันที่วิธีสร้าง Torque เพื่อเปลี่ยนสถานะ
| คุณสมบัติ | STT-MRAM | SOT-MRAM |
|---|---|---|
| วิธีการเขียน | Spin Transfer Torque | Spin Orbit Torque |
| โครงสร้างพื้นฐาน | 1Tr1MTJ | 2Tr1MTJ |
| จำนวน Transistor | 1 | 2 |
| พื้นที่ Memory Cell | เล็กกว่า | ใหญ่กว่า |
| เส้นทาง Write | ผ่าน MTJ | ผ่าน Channel Layer |
| ความเร็ว | สูง | มีศักยภาพสูงกว่า |
| ความทนทาน/ความน่าเชื่อถือ | สูง | มีศักยภาพสูง |
| เป้าหมายการใช้งาน | Embedded / Standalone Memory / Cache | High-speed Cache / HPC / AI |
ดังนั้นจึงไม่มีคำตอบง่าย ๆ ว่า STT-MRAM หรือ SOT-MRAM แบบใดดีกว่ากัน
STT-MRAM มีข้อได้เปรียบในด้าน ขนาดของ Memory Cell และความเรียบง่ายของโครงสร้าง ทำให้เหมาะกับการเพิ่มความหนาแน่นของหน่วยความจำ
ขณะที่ SOT-MRAM ยอมแลกพื้นที่ของเซลล์ที่ใหญ่ขึ้นกับโครงสร้างที่ช่วยแยกกระบวนการเขียนออกจากการอ่าน ทำให้มีศักยภาพด้าน ความเร็วและความน่าเชื่อถือในการเขียนข้อมูล
และนี่คือเหตุผลที่ทั้ง STT-MRAM และ SOT-MRAM ยังคงเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจในการพัฒนาหน่วยความจำยุคใหม่ โดยเฉพาะเมื่อ Processor สำหรับ AI และ HPC ต้องการหน่วยความจำที่มีทั้งความเร็วสูง การใช้พลังงานต่ำ และสามารถรักษาข้อมูลได้แม้ไม่มีไฟเลี้ยง
MRAM กับทิศทางของหน่วยความจำยุคใหม่
จากที่กล่าวมาทั้งหมด MRAM เป็นตัวอย่างที่น่าสนใจของการนำ Magnetism และ Spintronics เข้ามาใช้ร่วมกับเทคโนโลยี Semiconductor เพื่อสร้างหน่วยความจำรูปแบบใหม่
แทนที่จะเก็บข้อมูลด้วยประจุไฟฟ้า MRAM ใช้ สถานะทางแม่เหล็กของ Free Layer เป็นตัวแทนของข้อมูล และอาศัยความแตกต่างของค่าความต้านทานใน Magnetic Tunnel Junction (MTJ) เพื่ออ่านข้อมูลออกมาเป็น “0” และ “1”
จุดเด่นที่ทำให้ MRAM น่าสนใจคือการรวมคุณสมบัติหลายอย่างไว้ด้วยกัน ทั้ง ความเร็วสูง, Non-volatile และความทนทานต่อการเขียนข้อมูลสูง
ขณะเดียวกัน การพัฒนา MRAM ก็ไม่ได้หยุดอยู่ที่เทคโนโลยีเดียว ปัจจุบันมีแนวทางอย่าง STT-MRAM ที่เน้นโครงสร้าง Memory Cell ขนาดเล็ก และ SOT-MRAM ที่แยกเส้นทางการเขียนข้อมูลออกจาก MTJ เพื่อเพิ่มศักยภาพด้านความเร็วและความทนทาน
แม้ MRAM ยังมีโจทย์ด้านต้นทุน กระบวนการผลิต ความหนาแน่นของหน่วยความจำ และการออกแบบให้เหมาะกับงานแต่ละประเภท แต่ด้วยความต้องการหน่วยความจำที่เร็วขึ้น ใช้พลังงานต่ำลง และยังคงข้อมูลได้โดยไม่ต้องมีไฟเลี้ยง เทคโนโลยีหน่วยความจำที่อาศัย Spintronics จึงยังเป็นอีกหนึ่งแนวทางที่น่าจับตามอง
และเมื่อ AI, Edge Computing และ Embedded Systems ต้องการประสิทธิภาพในการเข้าถึงข้อมูลมากขึ้น คำถามที่น่าสนใจต่อไปจึงไม่ใช่เพียงว่า “หน่วยความจำจะจุได้มากแค่ไหน?” แต่ยังรวมถึง “เราจะทำให้หน่วยความจำเร็ว ประหยัดพลังงาน และทำงานใกล้กับหน่วยประมวลผลได้มากแค่ไหน?”
MRAM จึงอาจเป็นหนึ่งในคำตอบสำคัญของการพัฒนาหน่วยความจำสำหรับระบบ Electronics ในอนาคต
Reference :
– https://powerspin.co.jp/en/spintronics/mram/
– MRAM: High-Speed Non-Volatile Memory for Embedded Systems
– MRAM Process Development And Production Briefing
– Spin-Orbit-Torque Tackles MRAM Constraints
– EE Times – Making the case for MRAM in software-defined vehicles – EDN
Written by Pawinphat
Electronics & Embedded Systems
