高密度MRAM具有非常低的功率，高的讀取速度，非常高的數據保留能力和耐久性，適用于廣泛的應用。單元面積僅為0.0456平方微米，讀取速度為10ns，讀取功率為0.8mA/MHz/b，在低功耗待機模式（LPSB）下，其在25C時的泄漏電流小于55mA，相當于每比特的漏電流僅為1.7E-12A。對于32Mb數據，它具有100K個循環的耐久性，而對于1Mb的數據可以》1M個循環。它在260°C的IR回流下具有90秒的數據保留能力，在150°C的條件下可保存數據10年以上。

MRAM讀取操作

為了從LPSM快速，低能耗喚醒以實現高速讀取訪問，它采用了細粒度的電源門控電路（每128行一個），分兩步進行喚醒（如圖1所示）。電源開關由兩個開關組成，一個開關用于芯片電源VDD，另一個開關用于從低壓差（LDO，LowDrop-Out）穩壓器提供VREG的穩定電壓。首先打開VDD開關以對WL驅動器的電源線進行預充電，然后打開VREG開關以將電平提升至目標電平，從而實現《100ns的快速喚醒，同時將來自VREGLDO的瞬態電流降至最低。

圖1.具有兩步喚醒功能的細粒度電源門控電路（每128行一個）。

MRAM寫入操作

低阻態Rp和高阻態Rap的MRAM寫入操作需要如圖2所示的雙向寫入操作。要將Rap狀態寫到Rp需要將BL偏置到VPP，WL到VREG_W0，SL到0以寫入0狀態。要寫入1狀態，將Rap變成Rp需要反方向的電流，其中BL為0，SL為VPP，WL為VREG_W1。

圖2.平行低電阻狀態Rp和高電阻反平行狀態Rap的雙向寫入

為了在260°C的IR回流焊中達到90秒的保留數據時長，需要具有高能壘Eb的MTJ。這就需要將MTJ開關電流增加到可靠寫入所需的數百mA。寫入電壓經過溫度補償，電荷泵為選定的單元產生一個正電壓，為未選定的字線產生一個負電壓，以抑制高溫下的位線漏電。寫電壓系統如圖3所示。

圖3顯示了電荷泵對WL和BL/SL的過驅動以及溫度補償的寫偏置

在較寬的溫度范圍內工作時，需要對寫入電壓進行溫度補償。圖4顯示了從-40度到125度的寫入電壓shmoo圖，其中F/P表示在-40度時失敗，而在125度時通過。

圖4.顯示寫入期間溫度補償的要求。

具有標準JTAG接口的BIST模塊可實現自修復和自調節，以簡化測試流程。實現圖5中所示的雙糾錯ECC（DECECC）的存儲控制器TMC。

圖5.BIST和控制器，用于在測試和實施DECECC期間進行自修復和自調節。

TMC實施了智能寫操作算法，該算法實現了偏置設置和驗證/重試時間，以實現較高的寫入耐久性（》1M循環）。它包含寫前讀（用于確定需要寫哪些位）和動態分組寫入（用于提高寫吞吐量），帶寫校驗的多脈沖寫入操作以及優化寫電壓以實現高耐久性。該算法如圖6所示。

圖6.智能寫操作算法，顯示動態組寫和帶寫驗證的多脈沖寫。

MRAM數據可靠性

在基于自旋的STT-MRAM的許多應用中，磁場干擾是一個潛在的問題。該解決方案是在封裝上沉積0.3mm厚的磁屏蔽層，如圖6所示，實驗表明在移動設備的商用無線充電器的磁場強度為3500Oe的情況下，暴露100小時的誤碼率可以從》1E6ppm降低到?1ppm。另外在650Oe的磁場下，在125°C下的數據保存時間超過10年。

圖7.對3500Oe磁場的靈敏度降低了1E6倍。