高信頼かつ低消費電力を実現する垂直STT-MRAMを用いた不揮発キャッシュメモリ

摘要

近年，プロセッサに搭載される大容量キャッシュメモリ（以下キャッシュと略記）を省電力化するため，従来使われていたスタンヤイ電力の大きなSRAM（Static RAM）を，不揮発メモリのSTT·MRAM (Spin-transfer Torque Magnetoresistive RAM）に置き換えることが有効であると期待されている。しかし，従来のSTT-MRAMの性能では十分な省電力効果が得られていない。そこで東芝は，STT-MRAMを従来よりも高速化低消費電力化，及び高信頼化する技術を開発した。まず書込み速度と消費電力を改善するため，低電流での書込みが可能な改良型の垂直磁気記憶素子（ap-MIJ：Advanced Perpendicular Magnetic Tunnel Junction）を開発した。次に，読出し速度を高速化するため，二つのセルトランジスタと二つのap-MTJ で構成される2T2MTJ方式のメモリセルを開発した。更に，信頼性向上のため，セル不良を救済可能なデュアルセンス方式という新しい読出し回路を備えたセンスアンプを開発し，従来のエラー訂正コード（ECC）を用いた誤り検出訂正回路と組み合わせて，信頼性を1桁以上改善した。これらにより，STT-MRAMを大容量のラストレベルキャッシュ（LLC）に適用できるめどが立ち，キャッシュ全体の平均消費電力をSRAMで構成したLLCに対して約60%，eDRAMで構成したLLCに対し約37%削減できるシミュレーション結果を得た。