Auteure : Yukiko Date, Marketing produit, Renesas Electronics
Voici la nouvelle génération de MRAM : cette mémoire non volatile à haute vitesse se développe rapidement dans les systèmes embarqués, les équipements industriels et les applications d’IA en périphérie, où la performance et la fiabilité sont essentielles.
En résumé:
- Les principales caractéristiques de la nouvelle génération de MRAM incluent la non-volatilité associée à une vitesse élevée, une résistance à l'écriture élevée et une faible consommation d'énergie.
- La MRAM n'est plus une technologie du futur : elle est utilisée en pratique et son champ d'applications continue de s'étendre à mesure que ses avantages sont de plus en plus reconnus.
- Des applications concrètes de la MRAM dans des environnements avec des champs magnétiques externes sont présentées.
MRAM : une nouvelle technologie de mémoire
La MRAM (mémoire vive magnétorésistive) est une technologie de mémoire de nouvelle génération qui allie non-volatilité et hautes performances de lecture et d'écriture, deux caractéristiques traditionnellement problématiques. Contrairement à la SRAM, rapide mais volatile, ou à la mémoire Flash, non volatile mais relativement lente et à durée de vie limitée, la MRAM offre à la fois vitesse et rétention des données.
En combinant hautes performances, non-volatilité et longue durée de vie au sein d'une même technologie, la MRAM comble le fossé entre la mémoire volatile rapide et la mémoire non volatile plus lente. Ceci explique son adoption croissante dans les systèmes embarqués, industriels, d'IA en périphérie, IoT et critiques, où performances et fiabilité sont primordiales. Les études de marché confirment cette tendance : selon Mordor Intelligence, le marché mondial de la MRAM devrait croître à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 32,72 % entre 2026 et 2031, pour atteindre 18.240 milliards de dollars en 2031.
Comment fonctionne la MRAM ? Elle stocke les données grâce au magnétisme.
Contrairement à la mémoire conventionnelle qui stocke les données sous forme de charge électrique, la MRAM stocke les informations en utilisant des propriétés magnétiques. Alors que la SRAM atteint des vitesses très élevées en conservant les données électriquement (et en les perdant complètement en cas de coupure de courant), la MRAM stocke les données selon la direction de magnétisation, garantissant ainsi un stockage non volatil même sans alimentation.
Une cellule MRAM est construite autour d'une jonction tunnel magnétique (MTJ), composée d'une couche magnétique fixe et d'une couche libre séparées par une fine barrière tunnel. Les variations d'alignement de l'aimantation entre ces couches induisent différents états de résistance, interprétés comme un « 0 » ou un « 1 ». Le stockage des données étant magnétique et non électrique, la MRAM conserve les données de manière fiable malgré les cycles d'alimentation (Figure 1).
Figure 1. Fonctionnement de la MRAM
Caractéristiques principales de la MRAM
Combinaison de non-volatilité et de haute vitesse
Comparativement aux microcontrôleurs utilisant une mémoire flash intégrée, les microcontrôleurs à base de MRAM (comme le RA8P1) offrent des performances d'écriture nettement supérieures. Les temps d'écriture sont réduits d'environ 98 %, ce qui améliore considérablement les performances du système pour les applications nécessitant des mises à jour fréquentes de la mémoire, telles que les mises à jour du firmware, l'enregistrement de données et le stockage de paramètres.
Haute résistance à l'écriture
La mémoire MRAM est idéale pour les opérations d'écriture répétées car l'inversion de magnétisation n'a pas de limite fondamentale au nombre de cycles. Alors que la mémoire flash ne supporte généralement que quelques milliers à quelques dizaines de milliers de cycles d'écriture/effacement, la MRAM offre une endurance élevée pour le stockage de code et de données, ce qui la rend adaptée aux systèmes nécessitant des mises à jour fréquentes des données.
Faible consommation d'énergie
La mémoire MRAM conserve les données sans consommer d'énergie, ce qui la rend idéale pour les systèmes basse consommation. De plus, le microcontrôleur RA8P1 affiche une consommation de courant inférieure d'environ 47 % à celle des produits conventionnels dans des conditions équivalentes. En combinant haute vitesse et faible consommation, la mémoire MRAM permet de concevoir des systèmes performants et économes en énergie (Figure 2).
Figure 2. Principales caractéristiques de la MRAM
Principales applications de la MRAM
La MRAM est déjà utilisée en pratique et son champ d'application continue de s'étendre à mesure que ses avantages sont de plus en plus reconnus.
Systèmes embarqués, IoT et industriels
La mémoire MRAM est de plus en plus utilisée pour stocker les données de configuration, les registres et le micrologiciel des systèmes embarqués, IoT et industriels. Sa capacité d'écriture au niveau octet, son accès rapide et sa fiabilité dans la conservation des données en cas de coupure de courant en font une solution idéale pour les applications nécessitant des mises à jour fréquentes et un fonctionnement stable, même à haute température et en utilisation continue.
Stockage
La mémoire MRAM est également de plus en plus utilisée dans les applications liées au stockage, grâce à sa haute résistance à l'écriture et à sa grande tolérance aux pertes de puissance inattendues.
Parmi les exemples typiques, citons la mémoire cache des SSD, la gestion d'état et le stockage des registres. Pour les charges de travail nécessitant des opérations d'écriture fréquentes et rapides, les caractéristiques de la MRAM offrent des avantages indéniables par rapport aux technologies de mémoire conventionnelles.
aérospatial
Dans le secteur aérospatial, les dispositifs de mémoire sont souvent exposés à des environnements difficiles, notamment à des radiations intenses, où les technologies de mémoire conventionnelles peuvent se révéler vulnérables.
La mémoire MRAM a démontré un fonctionnement relativement stable dans ces conditions, ce qui explique son utilisation dans des applications telles que les systèmes de contrôle d'attitude des satellites et les ordinateurs de bord. Sa résistance à la dégradation des performances, même avec des opérations d'écriture fréquentes, est un atout majeur qui explique son intérêt dans ce domaine.
Applicabilité de la mémoire MRAM dans des environnements avec des champs magnétiques externes
- Tolérance de la mémoire MRAM aux champs magnétiques externes : Renesas Electronics définit des limites de référence pour la densité de flux magnétique à la surface du microcontrôleur (MCU) afin de garantir l’utilisation sûre des microcontrôleurs à base de MRAM :
- Opération (écriture/lecture) : jusqu'à 200 G
- Stockage en veille/hors tension : jusqu’à 500 Go
Des champs magnétiques très intenses qui dépassent les spécifications d'immunité magnétique du microcontrôleur peuvent affecter les données stockées, car la mémoire MRAM stocke les données en utilisant l'état magnétique d'une jonction tunnel magnétique (MTJ).
Ce constat conduit parfois à penser que « la mémoire MRAM ne peut pas être utilisée à proximité de moteurs ou d'inducteurs ». Cependant, en pratique, ces préoccupations sont généralement inutiles pour les conceptions de systèmes embarqués et industriels typiques.
- Intensité de la densité de flux magnétique pour les moteurs et les inducteurs : Afin d’évaluer si les microcontrôleurs à base de MRAM peuvent être utilisés en toute sécurité dans des environnements d’application réels, Renesas Electronics a effectué des mesures de densité de flux magnétique autour de composants générateurs de flux magnétique tels que les moteurs et les inducteurs.
Conclusion 1. La densité de flux magnétique autour des moteurs est relativement
Les mesures effectuées sur des moteurs synchrones à aimants permanents (MSAP) de petite et grande taille ont montré que le carter du moteur agit comme un blindage magnétique, ne laissant subsister à l'extérieur du carter que quelques gauss, voire moins, même en fonctionnement. Ces champs magnétiques très faibles ont un impact négligeable sur le fonctionnement et la conservation des données de la mémoire MRAM.
Les boîtiers en acier ou autres matériaux magnétiques renforcent encore cet effet de blindage en supprimant les fuites de flux.
D’après ces résultats, la MRAM peut être considérée comme adaptée à une utilisation dans des configurations de systèmes typiques, telles que les équipements de commande de moteurs, les onduleurs et les automates programmables industriels.
Tableau 1. Densité de flux magnétique autour des moteurs
Conclusion 2 : Les mesures effectuées sur des inductances utilisées dans les circuits d’alimentation ont montré que, même sous courant élevé, la majeure partie du flux magnétique est concentrée dans le noyau. Par conséquent, la densité de flux magnétique s’échappant du composant est très faible.
Par exemple, des mesures effectuées sur une inductance avec des entrefer ont confirmé que la densité de flux magnétique de fuite restait inférieure à environ 10 gauss, bien en dessous des niveaux susceptibles d'affecter le fonctionnement de la mémoire MRAM ou la rétention des données.
Des tests complémentaires effectués sur une inductance de puissance à courant élevé (Sagami Elec, CVK2522H-5R4M) ont montré que, même à 100 A, la densité de flux magnétique chute à 200 gauss, voire moins, avec seulement quelques millimètres de séparation. Par conséquent, à moins qu'une inductance et un microcontrôleur à base de MRAM ne soient placés extrêmement près l'un de l'autre sur le circuit imprimé, il est peu probable que la densité de flux magnétique dépasse la tolérance de la MRAM.
Dans les mêmes conditions de test, une inductance avec un noyau en ferrite de taille et d'inductance équivalentes a montré une diminution encore plus rapide, atteignant une densité de flux magnétique de 200 gauss ou moins avec une séparation d'environ 0,5 mm.
Tableau 2. Densité de flux magnétique autour des inducteurs
- Emplacement relatif des sources de champ magnétique et des microcontrôleurs dans des applications réelles : sur la base de configurations d’applications réelles, Renesas Electronics a confirmé l’emplacement physique typique des sources de champ magnétique, telles que les moteurs, les inducteurs et les aimants permanents, par rapport aux microcontrôleurs de commande.
Dans la plupart des applications pratiques, les sources de champ magnétique et le microcontrôleur sont suffisamment éloignés les uns des autres en raison des contraintes de conception mécanique et structurelle. De ce fait, l'influence de la densité de flux magnétique sur le microcontrôleur est généralement considérée comme négligeable.
Dans les produits industriels et grand public courants, tels que les climatiseurs, les machines à laver et les réfrigérateurs, les composants d'entraînement, y compris les moteurs, les ventilateurs et les pompes, sont physiquement séparés de la carte de circuit imprimé de commande qui abrite le microcontrôleur (Figure 3).
Par conséquent, même s'il existe une densité de flux magnétique localisée à proximité des moteurs ou des circuits de puissance, la densité de flux magnétique diminue rapidement avec la distance et n'atteint pas des niveaux susceptibles d'affecter le fonctionnement de la MRAM.
Figure 3. Emplacement du microcontrôleur et du moteur dans une machine à laver à tambour.
Dans l'électronique de puissance, notamment dans les conditionneurs de puissance, les alimentations de serveurs et les onduleurs à usage général, plusieurs composants peuvent constituer des sources potentielles de champs magnétiques, notamment :
- inducteurs de grande taille
- transformateurs
- Voies à courant élevé
Cependant, dans les conceptions de systèmes classiques, ces composants sont physiquement séparés des circuits de commande. Le microcontrôleur est généralement situé à plusieurs centimètres de l'étage de puissance principal.
Exemple : inductances de puissance
Sagami Elec a réalisé une simulation d'analyse du champ magnétique afin d'évaluer le flux de fuite magnétique autour d'une inductance de puissance sous courant élevé. La distribution du champ magnétique autour de l'inductance a été analysée pour des courants continus élevés.
Modèles analysés
- Modèle n° 1 : Inductance de puissance électrique Sagami CVK2522H-5R4M
– Perméabilité (μ) : 40
– Dimensions : 20 × 25 × 22,5 mm
– Inductance (L) : 5,4 µH
- Modèle n° 2 : Inductance à noyau de ferrite Sagami Elec. (équivalente en taille et en inductance à la CVK2522H-5R4M)
– Perméabilité (μ) : 3000
– Dimensions : 26,9 × 16,5 × 22,3 mm
– Inductance (L) : 5,4 µH
Conditions de simulation
- courant
ou 100 A CC (correspondant à une variation d'inductance de -30 % par rapport à la valeur initiale)
- configuration du circuit imprimé
Dimensions de la plaque : 75 × 75 × 1 mm
Résultats de la simulation
N° 1 CVK2522H-5R4M
- Plan XY : Une séparation d'environ 3,0 mm est suffisante pour réduire la densité de flux magnétique en dessous de 200 G.
- Plan YZ : Une séparation d'environ 1,5 mm est suffisante pour 200 G.
Figure 4. Résultats de simulation de la densité de flux magnétique de l'inductance CVK2522H-5R4M
Inducteur n° 2 à noyau de ferrite
- Plan X-Y : La densité de flux magnétique était bien inférieure à 200 G.
- Plan Y-Z : Une séparation d'environ 0,5 mm est suffisante pour réduire la densité de flux magnétique en dessous de 200 G.
Figure 5. Résultats de simulation de la densité de flux magnétique d'une inductance à noyau de ferrite
Résultats de l'évaluation
- Même en cas de courant élevé, le noyau de l'inductance confine la majeure partie du flux magnétique à l'intérieur.
- La distribution du flux magnétique de fuite dépend de la perméabilité du matériau (μ) ; les matériaux avec un μ plus élevé ont tendance à confiner le flux magnétique à l'intérieur du noyau.
- La densité de flux magnétique qui se propage dans la zone environnante est limitée et maintenue bien en deçà des niveaux susceptibles d'affecter le fonctionnement de la MRAM.
Ces résultats fournissent un exemple de données qui soutiennent une directive de conception pratique : lorsque les inductances et les microcontrôleurs à base de MRAM sont placés à une distance appropriée dans les circuits d’alimentation typiques, l’influence des champs magnétiques peut être suffisamment atténuée.
Bien que les champs magnétiques soient concentrés à proximité de l'inducteur lui-même, la densité de flux magnétique diminue rapidement avec la distance, de sorte que l'impact sur les circuits environnants est limité.
Conclusion
La MRAM combine de manière unique vitesse de fonctionnement et non-volatilité, des caractéristiques difficiles à obtenir simultanément avec les technologies de mémoire conventionnelles. Grâce aux progrès constants de sa fabrication et au soutien croissant de son écosystème, la MRAM devrait jouer un rôle de plus en plus important dans la conception des systèmes futurs.
(Référence : Mordor Intelligence, Marché de la mémoire RAM magnétorésistive (MRAM) : tendances de croissance et prévisions, https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/magneto-resistive-ram-market)
