Le memorie magnetoresistive ad accesso casuale o Mram (Magnetoresistive random access memory) sono memorie non volatili ad accesso casuale, che consentono cioè, per ogni singola cella di memoria, una memorizzazione stabile dei dati, e una lettura e una scrittura indipendenti cella per cella. La tecnologia delle Mram si è sviluppata a partire dagli anni '90, dopo la scoperta del cosiddetto “effetto magnetoresistivo gigante”: un effetto quantistico di tipo magnetoresistivo, ovvero legato alla capacità dei corpi di variare la propria resistenza elettrica in presenza di campi magnetici esterni. Il fenomeno si osserva in sistemi costituiti da pellicole metalliche di spessore nanometrico (1x10-9 m), organizzati in dispositivi che alternano materiali ferromagnetici e non magnetici. Albert Fert e Peter Grünberg nel 2007 hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica per la scoperta della GMR. Il continuo aumento della densità delle memorie realizzate con tecnologie preesistenti - in particolare flash Ram e Dram - e la presenza di alcune limitazioni tecnologiche nella tecnica di scrittura hanno sin qui limitato l'espansione di mercato delle Mram, ma molti aspetti fanno ritenere che le loro potenzialità siano così schiaccianti che la Ram magnetoresistiva finirà per diventare dominante per tutti i tipi di utilizzo dei sistemi di memorizzazione, dandole in prospettiva la possibilità di diventare un memoria universale. A differenza delle tecnologie tradizionali, che sono alla base degli attuali chip Ram, nelle Mram i dati non vengono memorizzati come carica elettrica, ma attraverso la modifica della magnetizzazione della cella che comporta una modifica della resistenza misurabile ai suoi capi. Ci sono diverse tipologie di Mram. Ad esempio nella “valvola di spin” (Spin Valve), la struttura più semplice di Mram, le cella di base sono formate da due strati ferromagnetici, separati da un sottile strato isolante. Uno dei due strati ferromagnetici è un magnete permanente, l'altro ha una polarità che può essere modificata in funzione della informazione che si vuole memorizzare attraverso l'uso o di un campo esterno (Mram) o di una corrente elettrica polarizzata in spin che attraversa la stessa (Spin Transfer Torque Mram, Stt-Mram). Un dispositivo di memoria è costruito da una griglia di tali "celle" elementari. Proprio la possibilità di “scrivere” le celle attraverso il passaggio di una corrente, permette di semplificare l'architettura delle celle eliminando la presenza della linea di scrittura, per cui negli ultimi anni una grande attività di ricerca è stata compiuta sulle Stt-Mram
La sfida della stabilità termica
Una delle sfide relative alla diffusione delle Stt-Mram è la possibilità di realizzare dispositivi termicamente stabili, con un elevata coppia di trasferimento di spin, caratterizzate da densità di corrente necessarie per la loro scrittura abbastanza limitate da essere compatibili con la tecnologia Cmos di realizzazione di circuiti integrati.
La corrente necessaria per “scrivere” un bit, cioè per ottenere la commutazione della cella di memoria da uno stato all'altro -da 0 ad 1 o viceversa- deve essere quindi di entità compatibile con le tecnologie di realizzazione disponibili. Valori di correnti insufficienti o al limite della sufficienza portano alla mancata scrittura della cella ovvero a una elevata probabilità di errore in fase di scrittura (se mediamente, su un milione di volte che voglio scrivere un “1” commetto 3 errori ho una probabilità di errore di 3x10-6). Per una diffusione delle Mram è quindi centrale l'individuazione di strategie affidabili e che richiedano limitate correnti per la loro scrittura. Riduzioni di tale valore di corrente sono stati ottenuti con diverse strategie, che coinvolgono strutture circuitali di grande complessità. Nel caso, ad esempio, di commutazione basata su strutture risonanti pilotate da correnti a microonde, la probabilità di commutazione alla frequenza di risonanza fN dipende, fra l'altro, dalla fase relativa tra la corrente a microonde e l'impulso corrente di polarizzazione, il che rende la tecnica di difficile applicabilità. In generale, poiché il sistema è fortemente non lineare, la frequenza di risonanza fN è diversa dalla frequenza di risonanza ferromagnetica, e può essere comparabile con quella delle oscillazioni prima della commutazione. In una matrice di celle Stt-Mram, la geometria di ciascuna cella sarà diversa da quella nominale a causa della dispersione dei parametri geometrici e fisici del film depositato. Questo fatto dà luogo a una frequenza di commutazione di risonanza della cella che è dipendente dalla specifica cella considerata: se la riduzione della corrente di commutazione è ottenuta eccitando alla frequenza di risonanza fN , e tale frequenza varia da cella a cella in uno stesso array di celle, questa variabilità richiede di realizzare un sistema di scrittura diverso per ogni cella dell'array di memoria, e rappresenta di fatto una forte limitazione nei confronti di applicazioni industriali in larga scala.
Una metodologia innovativa
Per affrontare questo problema, si è aggregato un gruppo di ricerca inter-Ateneo internazionale (tre Atenei italiani e uno spagnolo), del quale fanno parte due ricercatori di Elettrotecnica operanti nel Polo Scientifico Didattico di Terni dell'Università di Perugia. Il gruppo ha messo a sistema le competenze sulle sequenze Bss, proprie del gruppo di ricerca ternano, con quelle di modellamento di sistemi Nanomagnetici (Cosenza e Salamanca) con i contatti con i gruppi internazionali capaci di verifiche tecnologiche (Messina); il gruppo ha proposto di pilotare la commutazione tramite l'uso di un segnale "secondario" a banda larga, le cui caratteristiche sono riferite alla frequenza nominale fN. Questo tipo di segnale, proprio a causa delle sue particolari caratteristiche di uniformità della erogazione di energia sia nel dominio del tempo che della frequenza, è in grado di innescare il meccanismo di commutazione delle celle Stt-Mram anche se i valori fN relativi alle diverse celle sono non coincidenti, ma sono diffusi in un intervallo relativamente ampio. Il metodo proposto dal nostro gruppo sfrutta le proprietà spettrali delle sequenze binarie di spreading o Bss (Binary Spreading Sequences) derivate dalla quantizzazione di mappe caotiche. In particolare lo studio proposto di recente, che ha meritato la copertina delle Ieee Transactions on Magnetics, ha analizzato e confrontato le caratteristiche di commutazione delle celle Mram utilizzando diversi tipi di sequenze Bss. In particolare, ha messo a confronto Bss derivate dalla teoria del caos (Cbss), originate da mappe intrinsecamente non lineari, e Bss appartenenti alla classe dei segnali pseudo-casuali, e cioè definite nell'ambito della teoria delle sequenze lineari di feedback tramite registri a scorrimento. Tramite la metodologia proposta, nel caso delle valvole di spin, si è verificata la possibilità di “progettare” le sequenze di eccitazione in maniera ottimizzata conseguendo probabilità di commutazione prossime al 100% con impulsi di corrente largamente compatibili con la tecnologia Cmos, mentre per le giunzioni a effetto tunnel magnetico si è verificato il risparmio di energia che comporta l'approccio proposto dal nostro gruppo. I nostri risultati numerici sono inoltre stati considerati talmente promettenti da stimolare una verifica sperimentale dell'effetto dell'eccitazione a larga banda sulla commutazione per magnetizzazione risonante.
