Autora: Yukiko Date, Marketing de Producto, Renesas Electronics
Introducción a la nueva generación de MRAM: esta memoria no volátil de alta velocidad se está expandiendo rápidamente en sistemas embebidos, equipos industriales y aplicaciones de IA en el borde, donde tanto el rendimiento como la fiabilidad son fundamentales.
En resumen:
- Las características clave de la nueva generación de MRAM incluyen la no volatilidad con alta velocidad, alta resistencia a la escritura y bajo consumo de energía.
- La MRAM ya no es una tecnología del futuro: se utiliza en la práctica y su gama de aplicaciones continúa expandiéndose a medida que sus ventajas se reconocen más ampliamente.
- Se presentan aplicaciones reales de la MRAM en entornos con campos magnéticos externos.
MRAM: Una nueva tecnología de memoria
La MRAM (Memoria de Acceso Aleatorio Magnetoresistiva) es una tecnología de memoria de nueva generación que combina la no volatilidad con un alto rendimiento de lectura y escritura, dos características que tradicionalmente han implicado problemas. A diferencia de la SRAM, que es rápida pero volátil, o la memoria Flash, que es no volátil pero relativamente lenta y de vida útil limitada, la MRAM ofrece velocidad y retención de datos.
Al proporcionar alto rendimiento, no volatilidad y gran vida útil en una sola tecnología, la MRAM cierra la brecha entre la memoria volátil rápida y la memoria no volátil más lenta. Esto ha propiciado su creciente adopción en sistemas embebidos, industriales, de Edge IA, IoT y de proposito crítico, donde el rendimiento y la fiabilidad son fundamentales. Los estudios de mercado reflejan esta tendencia: según Mordor Intelligence, se prevé que el mercado global de MRAM crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 32,72 % entre 2026 y 2031, alcanzando los 18.240 millones de dólares en 2031.
¿Cómo funciona la MRAM? Almacena datos mediante magnetismo
A diferencia de las memorias convencionales que almacenan datos como carga eléctrica, la MRAM almacena información mediante propiedades magnéticas. Mientras que la SRAM alcanza una velocidad muy alta al retener los datos eléctricamente —perdiéndolos por completo al interrumpirse la alimentación—, la MRAM almacena los datos según la dirección de la magnetización, lo que garantiza un almacenamiento no volátil incluso sin alimentación.
Una celda MRAM se construye alrededor de una unión túnel magnética (MTJ), que consta de una capa magnética fija y una capa libre separadas por una delgada barrera de túnel. Los cambios en la alineación de la magnetización entre estas capas dan como resultado diferentes estados de resistencia, que se leen como un «0» o un «1» digital. Dado que los datos se almacenan magnéticamente en lugar de eléctricamente, la MRAM puede retener los datos de forma fiable a través de ciclos de alimentación (Figura 1).
Figura 1. Funcionamiento de la MRAM
Características clave de la MRAM
Combinación de no volatilidad y alta velocidad
En comparación con los microcontroladores que utilizan memoria flash integrada, los microcontroladores basados en MRAM (como el RA8P1) ofrecen un rendimiento de escritura mucho más rápido. El tiempo de escritura se reduce aproximadamente un 98 %, lo que mejora significativamente el rendimiento del sistema para aplicaciones que requieren actualizaciones frecuentes de memoria, como actualizaciones de firmware, registro de datos y almacenamiento de parámetros.
Alta resistencia a la escritura
La MRAM es ideal para operaciones de escritura repetidas, ya que la inversión de la magnetización no tiene un límite fundamental en el número de ciclos. Mientras que la memoria flash suele soportar solo entre varios miles y decenas de miles de ciclos de escritura/borrado, la MRAM ofrece una alta resistencia tanto para el almacenamiento de código como de datos, lo que la hace adecuada para sistemas que requieren actualizaciones frecuentes de datos.
Bajo consumo de energía
La MRAM retiene los datos sin consumir energía, lo que la hace adecuada para sistemas de bajo consumo. Además, el microcontrolador RA8P1 logra una corriente de funcionamiento aproximadamente un 47 % menor en comparación con los productos convencionales en condiciones equivalentes. Al combinar alta velocidad con bajo consumo de energía, la memoria MRAM permite diseños de sistemas de alto rendimiento y eficiencia energética (Figura 2).
Figura 2. Características clave de la MRAM
Aplicaciones clave de la MRAM
La MRAM ya se utiliza en la práctica y su gama de aplicaciones continúa expandiéndose a medida que sus ventajas se reconocen más ampliamente.
Sistemas embebidos, IoT e industriales
La MRAM se utiliza cada vez más para el almacenamiento de datos de configuración, registro y firmware en sistemas embebidos, IoT e industriales. Su compatibilidad con la escritura a nivel de byte, el acceso rápido y la retención de datos fiable durante los cortes de energía la hacen idónea para aplicaciones que requieren actualizaciones frecuentes y un funcionamiento estable, incluso a temperaturas elevadas y en funcionamiento continuo.
Almacenamiento
La MRAM también se utiliza cada vez más en aplicaciones relacionadas con el almacenamiento, aprovechando su alta resistencia a la escritura y su gran tolerancia a las pérdidas de energía inesperadas.
Ejemplos típicos incluyen la memoria caché en las unidades SSD, la gestión de estado y el almacenamiento de registros. En cargas de trabajo que requieren operaciones de escritura frecuentes y de alta velocidad, las características de la MRAM ofrecen claras ventajas sobre las tecnologías de memoria convencionales.
Aeroespacial
En las aplicaciones aeroespaciales, los dispositivos de memoria suelen estar expuestos a entornos hostiles, incluyendo radiación intensa, donde las tecnologías de memoria convencionales pueden ser vulnerables.
La memoria MRAM ha demostrado un funcionamiento relativamente estable en estas condiciones, lo que ha propiciado su uso en aplicaciones como sistemas de control de actitud de satélites y ordenadores de control a bordo. Su resistencia a la degradación del rendimiento, incluso con operaciones de escritura frecuentes, es una razón clave por la que se valora en este campo.
Aplicabilidad de la memoria MRAM en entornos con campos magnéticos externos
- Tolerancia de la memoria MRAM a campos magnéticos externos: Renesas Electronics define límites de referencia para la densidad de flujo magnético en la superficie del microcontrolador (MCU) para garantizar el uso seguro de los microcontroladores basados en MRAM:
- Funcionamiento (Escritura/Lectura): hasta 200 G
- Almacenamiento/Inactivo/Apagado: hasta 500 G
Los campos magnéticos muy intensos que superan la especificación de inmunidad magnética del microcontrolador pueden afectar a los datos almacenados, ya que la memoria MRAM almacena datos utilizando el estado magnético de una unión túnel magnética (MTJ).
Este hecho a veces lleva a la suposición de que «la memoria MRAM no se puede utilizar cerca de motores o inductores». Sin embargo, en la práctica, estas preocupaciones suelen ser innecesarias para los diseños típicos de sistemas embebidos e industriales.
- Intensidad de la densidad de flujo magnético para motores e inductores: para evaluar si los microcontroladores basados en MRAM pueden utilizarse de forma segura en entornos de aplicación reales, Renesas Electronics realizó mediciones de la densidad de flujo magnético alrededor de componentes que generan flujo magnético, como motores e inductores.
Conclusión 1. La densidad de flujo magnético alrededor de los motores es relativamente
baja. Las mediciones realizadas en motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) de pequeño y gran tamaño demostraron que la carcasa del motor actúa como un blindaje magnético, lo que resulta en campos magnéticos fuera de la carcasa de tan solo unos pocos gauss o menos, incluso durante el funcionamiento. Estos campos magnéticos tan bajos tienen un impacto insignificante en el funcionamiento y la retención de datos de la MRAM.
Las carcasas fabricadas con acero u otros materiales magnéticos mejoran aún más este efecto de blindaje al suprimir la fuga de flujo.
Con base en estos hallazgos, la MRAM puede considerarse adecuada para su uso en configuraciones de sistemas típicas, como equipos de control de motores, inversores y PLC industriales.
Tabla 1. Densidad de flujo magnético alrededor de los motores
Conclusión 2: Las mediciones de inductores utilizados en circuitos de alimentación demostraron que, incluso en condiciones de alta corriente, la mayor parte del flujo magnético se concentra dentro del núcleo. En consecuencia, la densidad de flujo magnético que se escapa del componente es muy pequeña.
Por ejemplo, las mediciones en un inductor con espacios confirmaron que la densidad de flujo magnético de fuga se mantuvo por debajo de aproximadamente 10 gauss, muy por debajo de los niveles que afectarían el funcionamiento de la memoria MRAM o la retención de datos.
Una evaluación adicional de un inductor de potencia de alta corriente (Sagami Elec, CVK2522H-5R4M) mostró que, incluso a 100 A, la densidad de flujo magnético disminuye a 200 gauss o menos con solo unos pocos milímetros de separación. Por lo tanto, a menos que un inductor y un microcontrolador basado en MRAM se coloquen extremadamente cerca en la placa de circuito impreso, es improbable que la densidad de flujo magnético supere la tolerancia de la MRAM.
En las mismas condiciones de prueba, un inductor con núcleo de ferrita de tamaño e inductancia equivalentes mostró una disminución aún más rápida, alcanzando una densidad de flujo magnético de 200 gauss o menos con una separación de aproximadamente 0,5 mm.
Tabla 2. Densidad de flujo magnético alrededor de los inductores
- Ubicación relativa de fuentes de campo magnético y MCU en aplicaciones reales: basándose en configuraciones de aplicaciones del mundo real, Renesas Electronics confirmó la ubicación física típica de fuentes de campo magnético, como motores, inductores e imanes permanentes, en relación con las MCU de control.
En la mayoría de las aplicaciones prácticas, las fuentes de campo magnético y la MCU están separadas por una distancia suficiente debido a limitaciones de diseño mecánico y estructural. Como resultado, la influencia de la densidad de flujo magnético en la MCU puede considerarse insignificante en la práctica.
En productos industriales y de consumo comunes, como aires acondicionados, lavadoras y refrigeradores, los componentes de accionamiento, incluidos motores, ventiladores y bombas, están físicamente separados de la PCB de control que alberga la MCU (Figura 3).
En consecuencia, incluso si hay una densidad de flujo magnético localizada cerca de motores o circuitos de potencia, la densidad de flujo magnético disminuye rápidamente con la distancia y no alcanza niveles que afectarían el funcionamiento de la MRAM.
Figura 3. Ubicación del microcontrolador y el motor en una lavadora de tambor.
En electrónica de potencia, como acondicionadores de potencia, fuentes de alimentación para servidores e inversores de uso general, varios componentes pueden actuar como fuentes potenciales de campos magnéticos, entre ellos:
- Inductores de gran tamaño
- Transformadores
- Pistas de alta corriente
Sin embargo, en los diseños de sistemas típicos, estos componentes están físicamente separados de los circuitos de control. El microcontrolador suele ubicarse a varios centímetros de la etapa de potencia principal.
Ejemplo: inductores de potencia
Sagami Elec realizó una simulación de análisis de campo magnético para evaluar el flujo magnético de fuga alrededor de un inductor de potencia en condiciones de alta corriente. Se analizó la distribución del campo magnético alrededor del inductor para altas corrientes continuas.
Modelos analizados
- Modelo n.° 1: Sagami Elec. Inductor de potencia CVK2522H-5R4M
– Permeabilidad (μ): 40
– Dimensiones: 20 × 25 × 22,5 mm
– Inductancia (L): 5,4 µH
- Modelo n.º 2: Sagami Elec. Inductor con núcleo de ferrita (equivalente en tamaño e inductancia al CVK2522H-5R4M)
– Permeabilidad (μ): 3000
– Dimensiones: 26,9 × 16,5 × 22,3 mm
– Inductancia (L): 5,4 µH
Condiciones de simulación
- Corriente
o 100 A CC (correspondiente a una variación de inductancia del -30 % respecto al valor inicial)
- Configuración de la PCB
o Tamaño de la placa: 75 × 75 × 1 mm
Resultados de la simulación
N.º 1 CVK2522H-5R4M
- Plano X-Y: Una separación de aproximadamente 3,0 mm es suficiente para reducir la densidad de flujo magnético por debajo de 200 G.
- Plano Y-Z: Una separación de aproximadamente 1,5 mm es suficiente para 200 G.
Figura 4. Resultados de la simulación de la densidad de flujo magnético del inductor CVK2522H-5R4M
Nº 2 Inductor con núcleo de ferrita
- Plano X–Y: La densidad de flujo magnético fue muy inferior a 200 G.
- Plano Y–Z: Una separación de aproximadamente 0,5 mm es suficiente para reducir la densidad de flujo magnético por debajo de 200 G.
Figura 5. Resultados de la simulación de la densidad de flujo magnético de un inductor con núcleo de ferrita
Resultados de la evaluación
- Incluso en condiciones de alta corriente, el núcleo del inductor confina la mayor parte del flujo magnético internamente.
- La distribución del flujo magnético de fuga depende de la permeabilidad del material (μ); los materiales con mayor μ tienden a confinar el flujo magnético dentro del núcleo.
- La densidad de flujo magnético que se filtra al área circundante es limitada y se mantiene muy por debajo de los niveles que afectarían el funcionamiento de la MRAM.
Estos resultados proporcionan un ejemplo de datos que respaldan una pauta de diseño práctica: cuando los inductores y los microcontroladores basados en MRAM se colocan a una distancia adecuada en circuitos de alimentación típicos, la influencia de los campos magnéticos se puede mitigar suficientemente.
Si bien los campos magnéticos se concentran cerca del propio inductor, la densidad de flujo magnético disminuye rápidamente con la distancia, por lo que el impacto en los circuitos circundantes es limitado.
Conclusión
La MRAM combina de forma única un funcionamiento de alta velocidad con la no volatilidad, capacidades difíciles de lograr simultáneamente con las tecnologías de memoria convencionales. Gracias a los continuos avances en la fabricación y al mayor apoyo del ecosistema, se espera que la memoria MRAM desempeñe un papel cada vez más importante en los diseños de sistemas futuros.
(Referencia: Mordor Intelligence, Mercado de memoria RAM magnetorresistiva (MRAM): tendencias de crecimiento y pronóstico, https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/magneto-resistive-ram-market)
