MRAM : Présentation de la RAM magnétorésistive

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO
MENTION ELECTRONIQUE
EXPOSE CIRCUIT MEMOIRE
Membres de groupe :
- ANDRIANIAINA Fanekentsoa Aurore
- JACOB Fernando Heriniaina
- RAKOTONDRAVELOARISOA Andrianomena Ismaela
- RAZAFINDRAKOTO Santatriniaina Julien
MAGNETORESISTIVE RANDOM
ACCESS MEMORY

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1 Introduction
Dans le monde numérique actuel, on distingue plusieurs types de mémoire, chacune avec
ses spécificités. La RAM, par exemple, est rapide mais volatile, tandis que la mémoire Flash
conserve les données, mais reste plus lente.
Ces mémoires classiques montrent cependant des limites, notamment en termes de vitesse,
de consommation d’énergie et de durabilité. Pour y remédier, une nouvelle technologie a été
développée : la MRAM, ou mémoire magnétique. Elle combine les avantages des mémoires
existantes, tout en corrigeant plusieurs de leurs défauts. Notamment, la Magnetic RAM (MRAM)
est une mémoire non volatile qui utilise des éléments magnétiques pour stocker les données, plutôt
que des charges électriques comme dans les RAM classiques. Elle est basée sur l’effet de
magnétorésistance.
2 Définition
La MRAM ou ''Magnetoresistive Random Access Memory'' est une catégorie de circuits
mémoires qui stockent des données sous forme d'états magnétiques stables de dispositifs
magnétorésistifs, et lisent les données en mesurant la résistance de ces dispositifs pour déterminer
leurs états magnétiques.
De tels circuits ont été conçus autour d'une variété de dispositifs magnétorésistifs, mais les
produits MRAM commercialisés, ainsi que la grande majorité des technologies MRAM en cours
de développement pour les futures technologies MRAM commerciales, sont basés sur des
dispositifs à jonction tunnel magnétique ou MTJ (Magnetic Tunnel Junction). Tous ces circuits
sont des mémoires résistives en termes d'opération de lecture, c'est la méthode d'écriture de l'état
magnétique qui distingue les différents types de technologies MRAM.
3 Fonctionnement de la MRAM
3.1 Jonction tunnel magnétique ou MTJ
Pour comprendre le fonctionnement d'une MRAM, il faut d’abord connaitre son élément de
base, appelé Jonction Tunnel Magnétique, ou MTJ. Une MTJ se compose de deux couches
magnétiques séparées par une couche isolante très fine. L’une des couches magnétiques est fixe,
tandis que l’autre est libre, c’est-à-dire qu’elle peut changer d’orientation sous l’effet d’un courant
électrique.
• Structure d'une MTJ :

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Une MTJ est composée de trois couches :
▪ Une couche magnétique fixe : son orientation est constante, elle sert de référence.
▪ Une couche magnétique libre : son orientation peut être modifiée.
▪ Une couche isolante très fine (en général du MgO) entre les deux.
Le schéma ci-dessus représente la structure de base d'une MTJ.
• Fonctionnement :
▪ Lorsque les deux couches magnétiques sont orientées dans le même sens, la
résistance est faible, ce qui correspond à un bit logique 0.
▪ Si elles sont orientées dans des directions opposées, la résistance est élevée, ce qui
correspond à un bit logique 1.
Ainsi, l’information est stockée sous forme de niveaux de résistance.
Le schéma ci-dessus illustre le fonctionnement de base d'une MTJ.

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3.2 Structure de base d'une cellule mémoire MRAM
La structure typique d’une cellule MRAM comprend :
▪ Une jonction MTJ
▪ Un transistor d’accès de type MOSFET
▪ Des interconnexions pour l’adressage via les Word Lines et les Bit Lines.
Voici une image mentale simple :
Le transistor permet de sélectionner une cellule à l’aide d’une Word Line, et la jonction
MTJ est entre la Bit Line et le Ground.
Pour écrire : on fait passer un courant contrôlé à travers la cellule pour orienter la couche libre.
Pour lire : on mesure la résistance de la jonction.
3.3 Opération de lecture
Les cellules de mémoire MRAM utilisent des MTJ pour stocker des données sous forme de
résistances magnétiques. Lors de l'opération de lecture, un courant de lecture est appliqué à travers

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la jonction tunnel pour mesurer sa résistance. Cette résistance correspond à l'état logique stocké
dans la cellule, soit un "0" soit un "1". C comme mentionne plus haut :
▪ Résistance faible → bit 0
▪ Résistance élevée → bit 1
3.4 Opération d'écriture
L’écriture dans la cellule consiste à modifier l’orientation de la couche libre. Dans les
premières générations de MRAM, on utilisait un champ magnétique pour ça. Mais aujourd’hui, la
majorité des MRAM utilisent un mécanisme plus avancé : le Spin-Transfer Torque (STT).
Le STT repose sur un courant électrique polaire en spin, qui, en traversant la cellule, exerce
un couple de rotation sur la couche libre, ce qui permet de changer son orientation magnétique.
3.5 Architecture des mémoires MRAM
• Comme toutes les mémoires, la MRAM est organisée en une matrice de cellules, avec :
▪ Des lignes (Word Lines) qui activent les transistors d’accès
▪ Des colonnes (Bit Lines) qui permettent l’écriture ou la lecture
Chaque intersection représente une cellule mémoire.
Le schéma ci-dessus représente la structure d'une mémoire MRAM.
• Composants périphériques :