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

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

隨著物聯網和人工智能技術的不斷發展，端點設備中使用的 MCU 預計將提供比以往更高的性能。高性能MCU的CPU時鐘頻率在數百MHz，因此為了獲得更高的性能，需要提高嵌入式非易失性存儲器的讀取速度，以盡量減少與CPU時鐘頻率之間的差距。MRAM 的讀取余量比傳統 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，對于寫入性能，MRAM 比閃存更快，因為它在執行寫入操作之前不需要擦除操作。然而，縮短寫入時間不僅對于日常使用來說是可取的，而且對于降低在測試過程中寫入測試模式以及最終產品制造商寫入控制代碼的成本也是有利的。

為了應對這些挑戰，瑞薩電子開發了以下新電路技術，以實現 MRAM 中更快的讀寫操作。

(1) 快速讀取技術

MRAM讀取一般由差分放大器（讀出放大器）來執行，以確定存儲單元電流或參考電流中哪一個更大。然而，由于 MRAM 的 0 和 1 狀態（讀取窗口）之間的存儲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。新開發的技術引入了兩種機制。第一種機制根據測試過程中測量的每個芯片的存儲單元的實際電流分布，將參考電流對齊在窗口的中心。另一種機制減少了讀出放大器的偏移。通過這些調整，可以實現更快的讀取速度。

此外，在傳統配置中，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升得太高。這會減慢讀取過程，因此該電路中引入了級聯連接方案，以減少寄生電容并加快讀取速度。

得益于這些進步，瑞薩電子能夠實現世界上最快的 4.2 ns 隨機讀取訪問時間。即使考慮到接收MRAM輸出數據的接口電路的建立時間，我們也可以在超過200 MHz的頻率下實現隨機讀取操作。

(2)快速寫入技術

對于寫入操作， 2021 年 12 月宣布的嵌入式 STT-MRAM 高速寫入技術首先使用外部電壓（IO 電源）生成的相對較低的寫入電壓，同時向寫入單元中的所有位施加寫入電壓，從而提高了寫入吞吐量。），通過降壓電路對MCU芯片進行降壓，然后僅對剩下的少數無法寫入的位使用較高的寫入電壓。這次，瑞薩考慮到由于測試過程和最終產品制造商使用的電源條件穩定，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置為施加到所有位，可以將寫入吞吐量提高1.8倍。

結合上述新技術，采用22 nm嵌入式MRAM工藝制造了具有10.8 Mbit MRAM存儲單元陣列的原型MCU測試芯片。對原型芯片的評估證實，它在 125°C 的最高結溫下實現了超過 200 MHz 的隨機讀取訪問頻率和 10.4 MB/s 的寫入吞吐量。

該測試芯片還包含 0.3 Mbit 的 OTP，它使用 MRAM 存儲單元擊穿來防止數據偽造。該存儲器可用于存儲安全信息。寫入 OTP 需要比寫入 MRAM 更高的電壓，這使得在現場執行寫入變得更加困難，因為現場的電源電壓通常不太穩定。然而，通過抑制存儲單元陣列內的寄生電阻，這項新技術也使得現場寫入成為可能。

瑞薩電子持續開發在 MCU 中嵌入 MRAM 的技術（IEDM 2021、VLSI 2022）。這些新技術有可能將內存訪問速度大幅提升至 200 MHz 以上，從而實現具有嵌入式 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設備寫入代碼。瑞薩電子致力于進一步提高 MRAM 的容量、速度和功效。

審核編輯：劉清