Autorin: Yukiko Date, Produktmarketing, Renesas Electronics
Wir stellen die nächste Generation von MRAM vor: Dieser schnelle, nichtflüchtige Speicher findet rasch Anwendung in eingebetteten Systemen, Industrieanlagen und Edge-KI-Anwendungen, wo sowohl Leistung als auch Zuverlässigkeit entscheidend sind.
Zusammenfassend:
- Zu den wichtigsten Merkmalen der neuen Generation von MRAM gehören Nichtflüchtigkeit bei hoher Geschwindigkeit, hoher Schreibbeständigkeit und geringem Stromverbrauch.
- MRAM ist keine Zukunftstechnologie mehr: Sie wird bereits in der Praxis eingesetzt und ihr Anwendungsbereich erweitert sich stetig, da ihre Vorteile immer mehr Anerkennung finden.
- Es werden reale Anwendungen von MRAM in Umgebungen mit externen Magnetfeldern vorgestellt.
MRAM: Eine neue Speichertechnologie
MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) ist eine Speichertechnologie der nächsten Generation, die Nichtflüchtigkeit mit hoher Lese- und Schreibgeschwindigkeit kombiniert – zwei Eigenschaften, die traditionell problematisch waren. Im Gegensatz zu SRAM, das zwar schnell, aber flüchtig ist, oder Flash-Speicher, der zwar nichtflüchtig, aber relativ langsam ist und eine begrenzte Lebensdauer hat, bietet MRAM sowohl Geschwindigkeit als auch Datenerhalt.
Durch die Kombination von hoher Leistung, Nichtflüchtigkeit und langer Lebensdauer in einer einzigen Technologie schließt MRAM die Lücke zwischen schnellem flüchtigem und langsamerem nichtflüchtigem Speicher. Dies hat zu seiner zunehmenden Verbreitung in eingebetteten Systemen, Industrieanwendungen, Edge-KI, IoT und unternehmenskritischen Systemen geführt, wo Leistung und Zuverlässigkeit von höchster Bedeutung sind. Marktforschungen bestätigen diesen Trend: Laut Mordor Intelligence wird der globale MRAM-Markt zwischen 2026 und 2031 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 32,72 % wachsen und bis 2031 ein Volumen von 18.240 Milliarden US-Dollar erreichen.
Wie funktioniert MRAM? Es speichert Daten mithilfe von Magnetismus.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Speichern, die Daten als elektrische Ladung speichern, speichert MRAM Informationen mithilfe magnetischer Eigenschaften. Während SRAM sehr hohe Geschwindigkeiten durch elektrische Datenspeicherung erreicht – die Daten jedoch bei Stromausfall vollständig verloren gehen –, speichert MRAM Daten entsprechend der Magnetisierungsrichtung und gewährleistet so eine nichtflüchtige Speicherung auch ohne Stromversorgung.
Eine MRAM-Zelle basiert auf einem magnetischen Tunnelkontakt (MTJ), der aus einer festen Magnetschicht und einer freien Schicht besteht, die durch eine dünne Tunnelbarriere getrennt sind. Änderungen der Magnetisierungsausrichtung zwischen diesen Schichten führen zu unterschiedlichen Widerstandszuständen, die als digitale „0“ oder „1“ ausgelesen werden. Da die Daten magnetisch und nicht elektrisch gespeichert werden, kann MRAM Daten auch nach mehreren Stromzyklen zuverlässig erhalten (Abbildung 1).
Abbildung 1. Funktionsweise des MRAM
Hauptmerkmale von MRAM
Kombination aus Nichtflüchtigkeit und hoher Geschwindigkeit
Im Vergleich zu Mikrocontrollern mit integriertem Flash-Speicher bieten MRAM-basierte Mikrocontroller (wie der RA8P1) eine deutlich höhere Schreibgeschwindigkeit. Die Schreibzeiten werden um ca. 98 % reduziert, was die Systemleistung für Anwendungen mit häufigen Speicheraktualisierungen, wie Firmware-Updates, Datenprotokollierung und Parameterspeicherung, erheblich verbessert.
Hohe Schreibbeständigkeit
MRAM eignet sich ideal für wiederholte Schreibvorgänge, da die Magnetisierungsumkehr keine prinzipielle Begrenzung der Zyklenzahl aufweist. Während Flash-Speicher typischerweise nur einige Tausend bis Zehntausende Schreib-/Löschzyklen unterstützen, bietet MRAM eine hohe Ausdauer sowohl für die Code- als auch für die Datenspeicherung und ist daher für Systeme geeignet, die häufige Datenaktualisierungen erfordern.
Geringer Energieverbrauch
MRAM speichert Daten ohne Stromverbrauch und eignet sich daher für Systeme mit geringem Stromverbrauch. Darüber hinaus erreicht der Mikrocontroller RA8P1 unter vergleichbaren Bedingungen einen um ca. 47 % niedrigeren Betriebsstrom als herkömmliche Produkte. Durch die Kombination von hoher Geschwindigkeit und niedrigem Stromverbrauch ermöglicht MRAM-Speicher leistungsstarke und energieeffiziente Systemdesigns (Abbildung 2).
Abbildung 2. Hauptmerkmale des MRAM
Wichtigste Anwendungen von MRAM
MRAM wird bereits in der Praxis eingesetzt und sein Anwendungsspektrum erweitert sich ständig, da seine Vorteile immer mehr Anerkennung finden.
Eingebettete Systeme, IoT-Systeme und industrielle Systeme
MRAM wird zunehmend zur Speicherung von Konfigurationsdaten, Registern und Firmware in eingebetteten Systemen, IoT-Systemen und industriellen Systemen eingesetzt. Seine Fähigkeit zum Schreiben auf Byte-Ebene, der schnelle Zugriff und die zuverlässige Datenspeicherung bei Stromausfällen machen es ideal für Anwendungen, die häufige Aktualisierungen und einen stabilen Betrieb erfordern, selbst bei hohen Temperaturen und im Dauerbetrieb.
Stauraum
MRAM wird aufgrund seiner hohen Schreibbeständigkeit und hohen Toleranz gegenüber unerwarteten Stromausfällen auch zunehmend in speicherbezogenen Anwendungen eingesetzt.
Typische Beispiele sind Cache-Speicher in SSDs, Zustandsverwaltung und Registerspeicher. Bei Arbeitslasten, die häufige, schnelle Schreibvorgänge erfordern, bieten die Eigenschaften von MRAM deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Speichertechnologien.
Luft- und Raumfahrt
In der Luft- und Raumfahrt sind Speicherbausteine oft rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, darunter intensiver Strahlung, wodurch herkömmliche Speichertechnologien anfällig werden können.
MRAM-Speicher haben sich unter diesen Bedingungen als relativ stabil erwiesen, was zu ihrem Einsatz in Anwendungen wie Satellitenlageregelungssystemen und Bordcomputern geführt hat. Ihre Unempfindlichkeit gegenüber Leistungseinbußen, selbst bei häufigen Schreibvorgängen, ist ein wesentlicher Grund für ihre Wertschätzung in diesem Bereich.
Anwendbarkeit von MRAM-Speichern in Umgebungen mit externen Magnetfeldern
- Toleranz von MRAM-Speichern gegenüber externen Magnetfeldern: Renesas Electronics definiert Referenzgrenzen für die magnetische Flussdichte auf der Oberfläche des Mikrocontrollers (MCU), um die sichere Verwendung von MRAM-basierten Mikrocontrollern zu gewährleisten:
- Betrieb (Schreiben/Lesen): bis zu 200 G
- Speicher/Leerlauf/Aus: bis zu 500 GB
Sehr intensive Magnetfelder, die die Spezifikationen für die magnetische Immunität des Mikrocontrollers überschreiten, können gespeicherte Daten beeinträchtigen, da MRAM-Speicher Daten mithilfe des magnetischen Zustands eines magnetischen Tunnelkontakts (MTJ) speichern.
Diese Tatsache führt mitunter zu der Annahme, dass „MRAM-Speicher nicht in der Nähe von Motoren oder Induktivitäten eingesetzt werden können“. In der Praxis sind diese Bedenken jedoch für typische eingebettete und industrielle Systemdesigns in der Regel unbegründet.
- Magnetische Flussdichteintensität für Motoren und Induktoren: Um zu beurteilen, ob MRAM-basierte Mikrocontroller sicher in realen Anwendungsumgebungen eingesetzt werden können, führte Renesas Electronics Messungen der magnetischen Flussdichte um magnetfelderzeugende Komponenten wie Motoren und Induktoren durch.
Schlussfolgerung 1. Die magnetische Flussdichte um die Motoren ist relativ
Geringe Magnetfeldstärke. Messungen an kleinen und großen Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) zeigten, dass das Motorgehäuse als magnetische Abschirmung wirkt, wodurch selbst im Betrieb Magnetfelder außerhalb des Gehäuses von nur wenigen Gauß oder weniger auftreten. Diese sehr geringen Magnetfelder haben einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Betrieb und die Datenspeicherung des MRAM.
Gehäuse aus Stahl oder anderen magnetischen Werkstoffen verstärken diesen Abschirmungseffekt zusätzlich, indem sie den magnetischen Fluss unterdrücken.
Auf Grundlage dieser Erkenntnisse kann MRAM als geeignet für den Einsatz in typischen Systemkonfigurationen, wie z. B. Motorsteuerungen, Wechselrichtern und industriellen SPSen, angesehen werden.
Tabelle 1. Magnetische Flussdichte um die Motoren
Schlussfolgerung 2: Messungen an in Stromversorgungsschaltungen verwendeten Induktivitäten zeigten, dass selbst unter hohen Strombedingungen der größte Teil des magnetischen Flusses im Kern konzentriert ist. Folglich ist die aus dem Bauteil austretende magnetische Flussdichte sehr gering.
So bestätigten beispielsweise Messungen an einer Spule mit Luftspalten, dass die magnetische Streuflussdichte unter etwa 10 Gauß blieb, also weit unterhalb von Werten, die den Betrieb von MRAM-Speichern oder die Datenspeicherung beeinträchtigen würden.
Weitere Tests einer Hochstrom-Leistungsinduktivität (Sagami Elec, CVK2522H-5R4M) zeigten, dass die magnetische Flussdichte selbst bei 100 A und nur wenigen Millimetern Abstand auf 200 Gauß oder weniger abfällt. Daher ist es unwahrscheinlich, dass die magnetische Flussdichte die Toleranz des MRAM überschreitet, es sei denn, Induktivität und MRAM-basierter Mikrocontroller sind auf der Leiterplatte extrem nah beieinander platziert.
Unter den gleichen Testbedingungen zeigte eine Spule mit Ferritkern gleicher Größe und Induktivität einen noch schnelleren Abfall und erreichte bei einem Abstand von etwa 0,5 mm eine magnetische Flussdichte von 200 Gauß oder weniger.
Tabelle 2. Magnetische Flussdichte um die Induktoren
- Relative Lage von Magnetfeldquellen und MCUs in realen Anwendungen: Basierend auf Konfigurationen realer Anwendungen bestätigte Renesas Electronics die typische physikalische Lage von Magnetfeldquellen wie Motoren, Induktoren und Permanentmagneten relativ zu den Steuer-MCUs.
In den meisten praktischen Anwendungen sind die Magnetfeldquellen und der Mikrocontroller aufgrund mechanischer und struktureller Konstruktionsbeschränkungen ausreichend weit voneinander entfernt. Daher kann der Einfluss der magnetischen Flussdichte auf den Mikrocontroller in der Praxis als vernachlässigbar angesehen werden.
Bei gängigen Industrie- und Konsumgütern wie Klimaanlagen, Waschmaschinen und Kühlschränken sind die Antriebskomponenten, einschließlich Motoren, Lüfter und Pumpen, physisch von der Steuerplatine getrennt, auf der sich der Mikrocontroller befindet (Abbildung 3).
Folglich nimmt die magnetische Flussdichte, selbst wenn in der Nähe von Motoren oder Stromkreisen eine lokale magnetische Flussdichte auftritt, mit zunehmender Entfernung rasch ab und erreicht keine Werte, die den Betrieb des MRAM beeinträchtigen würden.
Abbildung 3. Position des Mikrocontrollers und des Motors in einer Trommelwaschmaschine.
In der Leistungselektronik, wie z. B. in Netzfiltern, Servernetzteilen und Universalwechselrichtern, können verschiedene Komponenten als potenzielle Quellen von Magnetfeldern fungieren, darunter:
- Große Induktoren
- Transformer
- Hochstromspuren
In typischen Systemdesigns sind diese Komponenten jedoch physisch von den Steuerschaltungen getrennt. Der Mikrocontroller befindet sich üblicherweise einige Zentimeter von der Hauptleistungsstufe entfernt.
Beispiel: Leistungsinduktivitäten
Sagami Elec führte eine Magnetfeldanalyse-Simulation durch, um den magnetischen Streufluss um eine Leistungsinduktivität unter Hochstrombedingungen zu bewerten. Die Magnetfeldverteilung um die Induktivität wurde für hohe Gleichströme analysiert.
Analysierte Modelle
- Modell Nr. 1: Sagami Elektrische Leistungsinduktivität CVK2522H-5R4M
– Permeabilität (μ): 40
– Abmessungen: 20 × 25 × 22,5 mm
– Induktivität (L): 5,4 µH
- Modell Nr. 2: Sagami Elektro-Ferritkerninduktivität (entspricht in Größe und Induktivität CVK2522H-5R4M)
– Permeabilität (μ): 3000
– Abmessungen: 26,9 × 16,5 × 22,3 mm
– Induktivität (L): 5,4 µH
Simulationsbedingungen
- Strom
oder 100 A Gleichstrom (entsprechend einer Induktivitätsänderung von -30 % gegenüber dem Anfangswert)
- Leiterplattenkonfiguration
Plattengröße: 75 × 75 × 1 mm
Simulationsergebnisse
Nr. 1 CVK2522H-5R4M
- XY-Ebene: Ein Abstand von ungefähr 3,0 mm ist ausreichend, um die magnetische Flussdichte unter 200 G zu senken.
- YZ-Ebene: Ein Abstand von ca. 1,5 mm ist für 200 G ausreichend.
Abbildung 4. Simulationsergebnisse der magnetischen Flussdichte der Induktivität CVK2522H-5R4M
Spule Nr. 2 mit Ferritkern
- X-Y-Ebene: Die magnetische Flussdichte war deutlich geringer als 200 G.
- Y-Z-Ebene: Ein Abstand von etwa 0,5 mm ist ausreichend, um die magnetische Flussdichte unter 200 G zu senken.
Abbildung 5. Simulationsergebnisse der magnetischen Flussdichte einer Spule mit Ferritkern
Auswertungsergebnisse
- Selbst unter hohen Strombedingungen hält der Induktorkern den größten Teil des magnetischen Flusses im Inneren.
- Die Verteilung des magnetischen Streuflusses hängt von der Permeabilität des Materials (μ) ab; Materialien mit höherer Permeabilität (μ) neigen dazu, den magnetischen Fluss im Kern einzuschließen.
- Die magnetische Flussdichte, die in die Umgebung austritt, ist begrenzt und wird weit unterhalb von Werten gehalten, die den Betrieb des MRAM beeinträchtigen würden.
Diese Ergebnisse liefern ein Beispiel für Daten, die eine praktische Konstruktionsrichtlinie unterstützen: Wenn Induktivitäten und MRAM-basierte Mikrocontroller in typischen Stromversorgungsschaltungen in einem geeigneten Abstand platziert werden, kann der Einfluss von Magnetfeldern ausreichend gemindert werden.
Obwohl sich die Magnetfelder in der Nähe des Induktors konzentrieren, nimmt die magnetische Flussdichte mit zunehmender Entfernung rasch ab, sodass die Auswirkungen auf umliegende Stromkreise begrenzt sind.
Fazit
MRAM vereint auf einzigartige Weise hohe Übertragungsgeschwindigkeit mit Datenspeicherungssicherheit – Eigenschaften, die mit herkömmlichen Speichertechnologien nur schwer gleichzeitig zu erreichen sind. Dank kontinuierlicher Fortschritte in der Fertigung und verstärkter Unterstützung durch das Ökosystem wird MRAM in zukünftigen Systemdesigns voraussichtlich eine immer wichtigere Rolle spielen.
(Quelle: Mordor Intelligence, Magnetoresistive RAM (MRAM) Memory Market: Growth Trends and Forecast, https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/magneto-resistive-ram-market)
