将MRAM用到MCU，瑞萨重磅宣布

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瑞萨电子公司日前宣布，该公司已开发出用于嵌入式自旋转移矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)的电路技术，以下简称MRAM）具有快速读写操作的测试芯片。该微控制器单元 (MCU) 测试芯片采用 22 纳米工艺制造，包括一个 10.8 兆位 (Mbit) 嵌入式 MRAM 存储单元阵列。它实现了超过 200 MHz 的随机读取访问频率和每秒 10.4 兆字节 (MB/s) 的写入吞吐量。

瑞萨电子于 2 月 20 日在 2024 年国际固态电路会议 (ISSCC 2024) 上展示了这些成就，该会议于 2024 年 2 月 18 日至 22 日在旧金山举行。

随着物联网和人工智能技术的不断发展，端点设备中使用的 MCU 预计将提供比以往更高的性能。高性能MCU的CPU时钟频率在数百MHz，因此为了获得更高的性能，需要提高嵌入式非易失性存储器的读取速度，以尽量减少与CPU时钟频率之间的差距。MRAM 的读取余量比传统 MCU 中使用的闪存更小，使得高速读取操作更加困难。另一方面，对于写入性能，MRAM 比闪存更快，因为它在执行写入操作之前不需要擦除操作。然而，缩短写入时间不仅对于日常使用来说是可取的，而且对于降低在测试过程中写入测试模式以及最终产品制造商写入控制代码的成本也是有利的。

为了应对这些挑战，瑞萨电子开发了以下新电路技术，以实现 MRAM 中更快的读写操作。

(1) 快速读取技术

MRAM读取一般由差分放大器（读出放大器）来执行，以确定存储单元电流或参考电流中哪一个更大。然而，由于 MRAM 的 0 和 1 状态（读取窗口）之间的存储单元电流差异小于闪存，因此参考电流必须精确定位在读取窗口的中心，以便更快地读取。新开发的技术引入了两种机制。第一种机制根据测试过程中测量的每个芯片的存储单元的实际电流分布，将参考电流对齐在窗口的中心。另一种机制减少了读出放大器的偏移。通过这些调整，可以实现更快的读取速度。

此外，在传统配置中，用于控制位线电压的电路中存在大的寄生电容，因此在读取操作期间该电压不会升得太高。这会减慢读取过程，因此该电路中引入了级联连接方案，以减少寄生电容并加快读取速度。

得益于这些进步，瑞萨电子能够实现世界上最快的 4.2 ns 随机读取访问时间。即使考虑到接收MRAM输出数据的接口电路的建立时间，我们也可以在超过200 MHz的频率下实现随机读取操作。

(2)快速写入技术

对于写入操作， 2021 年 12 月宣布的嵌入式 STT-MRAM 高速写入技术首先使用外部电压（IO 电源）生成的相对较低的写入电压，同时向写入单元中的所有位施加写入电压，从而提高了写入吞吐量。），通过降压电路对MCU芯片进行降压，然后仅对剩下的少数无法写入的位使用较高的写入电压。这次，瑞萨考虑到由于测试过程和最终产品制造商使用的电源条件稳定，因此可以放宽外部电压的电压下限。因此，通过在第一阶段将外部电压的较高降压电压设置为施加到所有位，可以将写入吞吐量提高1.8倍。

结合上述新技术，采用22 nm嵌入式MRAM工艺制造了具有10.8 Mbit MRAM存储单元阵列的原型MCU测试芯片。对原型芯片的评估证实，它在 125°C 的最高结温下实现了超过 200 MHz 的随机读取访问频率和 10.4 MB/s 的写入吞吐量。

该测试芯片还包含 0.3 Mbit 的 OTP，它使用 MRAM 存储单元击穿来防止数据伪造。该存储器可用于存储安全信息。写入 OTP 需要比写入 MRAM 更高的电压，这使得在现场执行写入变得更加困难，因为现场的电源电压通常不太稳定。然而，通过抑制存储单元阵列内的寄生电阻，这项新技术也使得现场写入成为可能。

瑞萨电子持续开发在 MCU 中嵌入 MRAM 的技术（IEDM 2021、VLSI 2022）。这些新技术有可能将内存访问速度大幅提升至 200 MHz 以上，从而实现具有嵌入式 MRAM 的更高性能 MCU。更快的写入速度将有助于更有效地向端点设备写入代码。瑞萨电子致力于进一步提高 MRAM 的容量、速度和功效。

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