在工業物聯網 (IIoT)、機器人、醫療設備、可穿戴設備、人工智能、汽車和便攜式設計等應用中，邊緣計算的使用日益增加。隨著這種需求的增加，程序存儲和數據備份等應用也越來越需要高速、低延遲、非易失性、低功耗、低成本的存儲器。選擇雖然很多，包括靜態隨機存取存儲器 (SRAM)、動態 RAM (DRAM)、閃存和電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM)，但這些廣泛使用的技術都需要在一個或多個方面進行取舍，如此便不太適合用于邊緣計算。

幸運的是，設計人員現在可以使用磁阻隨機存取存儲器 (MRAM)。顧名思義，MRAM 就是將數據存儲在磁性存儲元件中并提供真正隨機訪問的器件，允許在存儲器中隨機進行讀寫。由于自身的結構和工作方式，MRAM 需要具有低延遲、低漏電、高寫入循環次數和長保留時間的特點，而這些都是邊緣計算非常需要的條件。

本文簡要比較了 EEPROM、SRAM、閃存等常見存儲器技術與 MRAM 的性能能力。然后，文中將說明在多個邊緣計算應用中使用 MRAM 的好處，然后介紹來自Renesas Electronics的特定 MRAM 器件、一些 MRAM 使用技巧，以及一款能幫助設計人員著手設計的評估平臺。

存儲器技術比較

對于邊緣計算應用，設計人員可以在幾種存儲器技術中進行選擇，每種技術都提供了不同的性能能力和取舍（圖 1）。DRAM 通常用于在軟件執行期間為各種類型的處理器提供工作存儲空間。這種存儲器價格便宜、速度相對較慢（與 SRAM 相比）、功耗巨大，而且只有在供電時才能保留數據。另外，DRAM 存儲單元容易受到輻射破壞。 SRAM 比 DRAM 速度更快，價格更高。它通常用作處理器的高速緩存，而 DRAM 則提供主存儲器。SRAM 是本文所述功耗最高的存儲器，并且與 DRAM 一樣，它也是易失性存儲器。SRAM 單元容易受到輻射破壞，DRAM 和 SRAM 都具有出色的耐久性。

EEPROM 是一種非易失性存儲器，使用外部施加的電壓來擦除數據。EEPROM 速度慢，耐久性有限（通常最多擦寫一百萬次），并且功耗相對較高。在本文所述存儲器技術中，EEPROM 目前使用得最少。 閃存是 EEPROM 的一種變體，具有更大的存儲容量和更快的讀寫速度，但仍然相對較慢。閃存價格便宜，并且可以在斷電條件下保留數據長達 10 年。但是，相對于其他存儲器類型，閃存使用起來更為復雜。數據必須按塊讀取，不能逐字節讀取。同樣，在重寫之前，必須擦除存儲單元。擦除必須逐塊，而不是逐字節進行。

MRAM 是一種真正的隨機存取存儲器；允許在存儲器中隨機進行讀寫。MRAM 在待機狀態下還具有零漏電的特性，能夠承受 1016 次擦寫循環，并且在 85°C 下能夠保留數據 20 年以上。當前提供的容量密度范圍從 4 Mb 到 16 Mb。 MRAM 技術類似于具有 SRAM 兼容讀/寫時序的閃存技術；MRAM 有時稱為持久性 SRAM (P-SRAM)。由于自身的特性，MRAM 特別適合必須以最小延遲存儲和檢索數據的應用。該技術不但具有這種低延遲，還結合了低功耗、無限耐久性、可擴展性和非易失性。此外，MRAM 對 α 粒子的固有抗擾度還使其適用于經常暴露于輻射的設備。

MRAM 工作原理

顧名思義，MRAM 中的數據由磁性存儲元件存儲。這些元件由兩塊鐵磁板構成，每塊板都能保持磁化，中間用一層薄薄的絕緣層隔開。這種結構稱為磁隧道結 (MTJ)。在這兩塊板中，其中一塊在制造過程中被置為特定極性的永磁體；另一塊的磁化強度可以改變，以存儲數據。Renesas Electronics 最近新推出了 MRAM 器件，采用基于垂直磁隧道結 (p-MTJ) 的專有自旋轉移矩 MRAM (STT-MRAM)。p-MTJ 包括固定不變的磁性層、電介質阻擋層和可變的鐵磁存儲層（圖 2）。

在編程操作期間，根據流過 p-MTJ 元件的電流方向，存儲層的磁性取向從平行狀態（低阻抗狀態“0”）電切換為反平行狀態（高阻抗狀態“1”），或者反之亦然。這兩個不同的阻抗狀態可用于數據存儲和感測。

MRAM 用例

MRAM 用例包括數據記錄、物聯網節點存儲器、邊緣計算設備機器學習/人工智能，以及醫院中的 RFID 標簽。 數據記錄器需要數兆比特的非易失性存儲器，以容納長期積累的數據。記錄器通常由電池供電，但也可以依靠能量收集來供電，因此需要低功耗存儲器。斷電時，記錄的數據必須可無限期保留。MRAM 滿足數據記錄器的性能要求。 MRAM 的持久性與極低能耗模式相結合，可為物聯網節點提供統一的代碼和數據存儲解決方案，這些節點能采用極小的外形尺寸并由能量收集器或電池供電（圖 3）。啟動時間通常是物聯網節點的重要考慮因素。若使用 MRAM 實現原地編碼結構，即可減少啟動所需的時間，并且由于對 DRAM 或 SRAM 的需求減少，還能降低總體的物料成本。

此外，MRAM 提供的持久性還能讓新一代物聯網節點進行機器學習，而無需在每次設備喚醒后都重新加載推理算法。本地處理包括分析傳感器數據、做出決策，甚至在某些情況下重新配置節點。這種本地智能化需要持久的低功耗存儲器。這些器件可以實現實時本地粗略推斷，并可以使用云端進行增強分析。

MRAM 的速度有利于在邊緣設備中實現機器學習，例如企業資源計劃 (ERP) 系統、制造執行系統 (MES)、監督控制和數據采集 (SCADA) 系統等。在這些系統中可對數據進行分析，確定中間模式，并與相鄰域共享。邊緣架構需要快速處理能力和持久性存儲器。 設計人員還可以將 MRAM 應用于射頻識別 (RFID) 非常有用的醫療保健設備中。低功耗加上抗輻射性能讓 MRAM 適用于醫院環境。醫院中的 RFID 標簽有多種用途，包括庫存管理、患者護理和安全、醫療設備識別，以及耗材的識別和監控。

高性能串行 MRAM 存儲器

在包括工業控制和自動化、醫療設備、可穿戴設備、網絡系統、倉儲/RAID、汽車和機器人在內的邊緣計算系統中，設計人員都可以使用 Renesas 的M30082040054X0IWAY（圖 4）。該產品提供的容量密度范圍從 4 Mb 到 16 Mb。Renesas 的 MRAM 技術類似于具有 SRAM 兼容讀/寫時序的閃存技術。數據始終是非易失性的，具有 1016 次寫入循環的耐久性和 85°C 下超過 20 年的保留能力。 M30082040054X0IWAY 配備串行外設接口 (SPI)，因而無需軟件設備驅動程序。SPI 是一種同步串行接口，采用單獨的數據和時鐘線來幫助保持主機和從機的完美同步。時鐘可準確告知接收器何時對數據線上的位進行采樣。這可以是時鐘信號的上升沿（從低到高）或下降沿（從高到低）或在兩個沿同時進行。

M30082040054X0IWAY 支持芯片內執行 (XIP)，可以完成一系列讀寫指令，而不必為每條指令單獨加載讀或寫命令。因此，XIP 模式可節省命令開銷并減少隨機讀寫訪問時間。 M30082040054X0IWAY 提供基于硬件和軟件的數據保護方案。硬件保護通過 WP# 引腳提供。軟件保護由狀態寄存器中的配置位控制。

兩種方案均禁止寫入寄存器和存儲器陣列。該器件具有一個獨立于主存儲器陣列的 256 字節增強存儲陣列。此陣列可由用戶進行編程，并且可以進行寫保護以防意外寫入。 為了進一步滿足低功耗應用，M30082040054X0IWAY 提供了兩種低功耗狀態：深度省電和休眠。當器件處于這兩種低功耗狀態的任一種時，數據都不會丟失。此外，器件還會保留所有配置。 該器件采用小巧的 8 焊盤 DFN (WSON) 和 8 引腳 SOIC 封裝。這些封裝與類似的低功耗易失性和非易失性產品兼容。它提供工業（-40°C 至 85°C）和擴展工業工作溫度范圍（-40°C 至 105°C）選擇。

使用 MRAM

與其他存儲器技術相比，MRAM 可以顯著降低總能耗。但是，節能量可能會因特定應用設計的使用模式而異。與其他非易失性存儲器一樣，寫入電流遠高于讀取或待機電流。因此，在功耗關鍵型應用中，特別是在需要頻繁寫入存儲器的設計中，需要將寫入時間降到最少。與其他非易失性存儲器選擇（如 EEPROM 或閃存）相比，MRAM 較短的寫入時間可以緩解這種擔憂，并能降低能耗。 若采用電源選通系統架構并盡可能地將存儲器置于待機狀態，MRAM 就可以實現額外的節能。MRAM 的上電至寫入時間更快，因此能比其他非易失性存儲器更頻繁地進入待機狀態。MRAM 在待機狀態下的零漏電對于這方面也有所幫助。請注意，采用電源選通技術時，通常需要使用更大的去耦電容器來支持上電能量需求。

MRAM 評估板

為了幫助設計人員著手使用 M30082040054X0IWAY，Renesas 提供了M3016-EVK評估套件。該套件包含 16 Mb MRAM，能夠讓用戶使用流行的 Arduino 板開發交互式硬件解決方案（圖 5）。該即插即用套件具有 Arduino 主機板并配套可與 PC 計算機 USB 接口通信的終端仿真器軟件。該評估板通過 UNO R3 針座安裝在 Arduino UNO 主機板的頂部。所提供的測試程序能夠讓用戶快速評估 MRAM 器件的功能。

結語

在利用諸如 DRAM、SRAM、閃存和 EEPROM 之類常規存儲器技術設計邊緣計算設備時，需要進行各種取舍，因而會限制性能。對于邊緣計算，設計人員可以考慮最近推出的 MRAM，它們提供了真正的隨機訪問能力，并允許在存儲器中進行隨機讀寫。 如上所述，MRAM 滿足了邊緣計算設計人員對存儲器的需求：器件必須能存儲和檢索數據而不會產生較大延遲；待機時零漏電以降低功耗；能夠承受1016次的寫入循環，并在 85°C 下保留數據 20 年以上。 作者：Jeff Shepard 來源：Digi-Key

責任編輯：xj

原文標題：如何使用 MRAM 提高邊緣計算的可靠性，減少延遲并降低功耗

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