瑞薩電子公司日前宣布，該公司已開發(fā)出用于嵌入式自旋轉(zhuǎn)移矩磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)的電路技術(shù)，以下簡(jiǎn)稱MRAM）具有快速讀寫操作的測(cè)試芯片。該微控制器單元 (MCU) 測(cè)試芯片采用 22 納米工藝制造，包括一個(gè) 10.8 兆位 (Mbit) 嵌入式 MRAM 存儲(chǔ)單元陣列。它實(shí)現(xiàn)了超過 200 MHz 的隨機(jī)讀取訪問頻率和每秒 10.4 兆字節(jié) (MB/s) 的寫入吞吐量。

瑞薩電子于 2 月 20 日在 2024 年國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議 (ISSCC 2024) 上展示了這些成就，該會(huì)議于 2024 年 2 月 18 日至 22 日在舊金山舉行。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，端點(diǎn)設(shè)備中使用的 MCU 預(yù)計(jì)將提供比以往更高的性能。高性能MCU的CPU時(shí)鐘頻率在數(shù)百M(fèi)Hz，因此為了獲得更高的性能，需要提高嵌入式非易失性存儲(chǔ)器的讀取速度，以盡量減少與CPU時(shí)鐘頻率之間的差距。MRAM 的讀取余量比傳統(tǒng) MCU 中使用的閃存更小，使得高速讀取操作更加困難。另一方面，對(duì)于寫入性能，MRAM 比閃存更快，因?yàn)樗趫?zhí)行寫入操作之前不需要擦除操作。然而，縮短寫入時(shí)間不僅對(duì)于日常使用來(lái)說(shuō)是可取的，而且對(duì)于降低在測(cè)試過程中寫入測(cè)試模式以及最終產(chǎn)品制造商寫入控制代碼的成本也是有利的。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，瑞薩電子開發(fā)了以下新電路技術(shù)，以實(shí)現(xiàn) MRAM 中更快的讀寫操作。

(1) 快速讀取技術(shù)

MRAM讀取一般由差分放大器（讀出放大器）來(lái)執(zhí)行，以確定存儲(chǔ)單元電流或參考電流中哪一個(gè)更大。然而，由于 MRAM 的 0 和 1 狀態(tài)（讀取窗口）之間的存儲(chǔ)單元電流差異小于閃存，因此參考電流必須精確定位在讀取窗口的中心，以便更快地讀取。新開發(fā)的技術(shù)引入了兩種機(jī)制。第一種機(jī)制根據(jù)測(cè)試過程中測(cè)量的每個(gè)芯片的存儲(chǔ)單元的實(shí)際電流分布，將參考電流對(duì)齊在窗口的中心。另一種機(jī)制減少了讀出放大器的偏移。通過這些調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)更快的讀取速度。

此外，在傳統(tǒng)配置中，用于控制位線電壓的電路中存在大的寄生電容，因此在讀取操作期間該電壓不會(huì)升得太高。這會(huì)減慢讀取過程，因此該電路中引入了級(jí)聯(lián)連接方案，以減少寄生電容并加快讀取速度。

得益于這些進(jìn)步，瑞薩電子能夠?qū)崿F(xiàn)世界上最快的 4.2 ns 隨機(jī)讀取訪問時(shí)間。即使考慮到接收MRAM輸出數(shù)據(jù)的接口電路的建立時(shí)間，我們也可以在超過200 MHz的頻率下實(shí)現(xiàn)隨機(jī)讀取操作。

(2)快速寫入技術(shù)

對(duì)于寫入操作， 2021 年 12 月宣布的嵌入式 STT-MRAM 高速寫入技術(shù)首先使用外部電壓（IO 電源）生成的相對(duì)較低的寫入電壓，同時(shí)向?qū)懭雴卧械乃形皇┘訉懭腚妷海瑥亩岣吡藢懭胪掏铝?。），通過降壓電路對(duì)MCU芯片進(jìn)行降壓，然后僅對(duì)剩下的少數(shù)無(wú)法寫入的位使用較高的寫入電壓。這次，瑞薩考慮到由于測(cè)試過程和最終產(chǎn)品制造商使用的電源條件穩(wěn)定，因此可以放寬外部電壓的電壓下限。因此，通過在第一階段將外部電壓的較高降壓電壓設(shè)置為施加到所有位，可以將寫入吞吐量提高1.8倍。

結(jié)合上述新技術(shù)，采用22 nm嵌入式MRAM工藝制造了具有10.8 Mbit MRAM存儲(chǔ)單元陣列的原型MCU測(cè)試芯片。對(duì)原型芯片的評(píng)估證實(shí)，它在 125°C 的最高結(jié)溫下實(shí)現(xiàn)了超過 200 MHz 的隨機(jī)讀取訪問頻率和 10.4 MB/s 的寫入吞吐量。

該測(cè)試芯片還包含 0.3 Mbit 的 OTP，它使用 MRAM 存儲(chǔ)單元擊穿來(lái)防止數(shù)據(jù)偽造。該存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)安全信息。寫入 OTP 需要比寫入 MRAM 更高的電壓，這使得在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行寫入變得更加困難，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的電源電壓通常不太穩(wěn)定。然而，通過抑制存儲(chǔ)單元陣列內(nèi)的寄生電阻，這項(xiàng)新技術(shù)也使得現(xiàn)場(chǎng)寫入成為可能。

瑞薩電子持續(xù)開發(fā)在 MCU 中嵌入 MRAM 的技術(shù)（IEDM 2021、VLSI 2022）。這些新技術(shù)有可能將內(nèi)存訪問速度大幅提升至 200 MHz 以上，從而實(shí)現(xiàn)具有嵌入式 MRAM 的更高性能 MCU。更快的寫入速度將有助于更有效地向端點(diǎn)設(shè)備寫入代碼。瑞薩電子致力于進(jìn)一步提高 MRAM 的容量、速度和功效。

審核編輯：劉清