嵌入式MRAM：满足先进节点SoC功耗需求的下一代内存技术

数据驱动的智能互联世界需要更多的计算能力和容量。不妨想想我们现在拥有的各种智能应用。汽车可以利用本地和远程人工智能（AI）决策将乘客送往目的地。扫地机器人使居所保持干净整洁。智能手表能够检测跌倒并呼叫紧急服务。大规模计算对大内存容量提出了更高的需求，同时降低片上系统（SoC）功耗也势在必行，特别是对于电池供电设备来说。

随着数据生成来源的增多，数据处理和访问的速度需要很快，特别是对实时响应（always-on）应用来说。嵌入式闪存（eFlash）技术是一种传统的内存解决方案，目前已接近淘汰，因为要将其微缩到28nm以下，代价非常高昂。为此，物联网（IoT）和边缘设备SoC以及其他AI芯片的开发者希望能找到一种成本低、面积小且能效高的替代方案，以支持对内存日益增长的需求。

事实证明，适合低功耗先进节点SoC的新内存解决方案其实并不是新鲜事物。嵌入式磁阻式随机存取内存（eMRAM）在大约二十年前就已经出现，但其利用率如今因为大容量、高密度和能够微缩到较小尺寸等特性而有所提升。本文将详细介绍物联网和边缘设备如何颠覆传统的内存技术，为什么eMRAM现在能够崛起，以及新思科技如何帮助简化使用eMRAM进行设计的流程。

内存技术格局如何演变？

内存在这个智能世界中无处不在，内存技术格局也在迅速变化，功耗已经成为一个关键标准。高性能计算、云和人工智能应用需要节省动态功耗，而移动、物联网和边缘应用关注的则是漏电流。转向采用更小的工艺节点通常会带来功耗、性能和面积（PPA）方面的优势；但是，采用更小的节点时，动态功耗和漏电功耗的改善情况并不相同。因此，对许多设计而言，传统的内存技术虽然一直很可靠，但功耗太大，显然不足以实现物联网和边缘应用领域中那些空间受限设计所需的先进节点SoC。

多年来，eFlash一直是高密度、片上非易失性内存（NVM）的一个常规和主要来源。但是对于小型电池供电应用来说，eFlash会占用太多的系统功耗预算。更重要的是，启用28nm以下闪存技术的成本相当高，限制了设计团队发展先进技术节点的能力。

半导体行业一直在研究不同的NVM解决方案，比如自旋转移扭矩MRAM（STT-MRAM）、相变RAM（PCRAM）和电阻式RAM（RRAM）。另外还有一种特殊的类型——eMRAM，后者非常适合许多先进节点SoC的需求。

eMRAM如何满足对低功耗内存的需求？

SRAM和闪存等传统嵌入式内存技术通过电荷来存储信息，eMRAM则与此不同，它通过自旋来存储数据。eMRAM的自旋性质源自于其铁磁体和非磁性材料，这两者构成了一个磁隧道结（MTJ）。断电后，MTJ会继续保持极化，从而保留存储的数据，而且系统级功耗整体上也要少得多。与SRAM等选项相比，eMRAM尺寸更小，泄漏更低，容量更大，并且抗辐射能力更强。因此，采用eMRAM时，单个芯片可以拥有更多的内存，也就是说，当内存量相同时，使用eMRAM的设计要与使用SRAM的设计尺寸更小。与PCRAM和RRAM等选项相比，eMRAM对高温不太敏感，生产级良率更高，并且更加持久耐用（具体表现为能够在多个读/写周期内将数据保留长达数年）。一些大型晶圆厂已经投产基于鳍式场效应晶体管（FinFET）的22nmeMRAM。

eMRAM可以追溯到几十年前出现的MRAM技术。随着处理器从28nm工艺转向22nm工艺，现有的内存技术已经无法跟上步伐，这就来到了一个转折点——MRAM技术以eMRAM的形式被人们重新发现。eMRAM为物联网和边缘计算等空间和功耗受限的应用带来了明显的优势。随着时间的推移，当其速度得到加快后，eMRAM就可以拓宽应用范围，从而成为一种通用的内存资源。例如，汽车设计依赖的MCU就需要嵌入式内存（过去是eFlash）。在22nm及以下工艺中，eMRAM在汽车温度等级上提供了一个可靠的选项。工业和其他高性能嵌入式应用也能享受到使用eMRAM所带来的优势。

应对eMRAM设计挑战

尽管eMRAM具有很多优势，但开发者还应知道，在使用这种内存进行设计时需要解决哪些问题。首先，需要考虑磁抗扰性。对内存开发者而言，这涉及到测试MRAM及其抗扰度，单位是高斯或奥斯特，同时要将这一规格告知其芯片设计客户。任何靠近芯片的元素都会带有磁性，如电感线圈，而它们会影响eMRAM的性能，所以芯片开发者在设计这些元素时，需要让其与eMRAM保持足够的距离。带有磁屏蔽的芯片封装也能保护eMRAM，使其免受冰箱等具有大磁场的终端设备的影响。

读取活动尤为敏感，所以向设备写入数据时可能会干扰读取活动。错误代码纠正（ECC）可以解决工艺变化，避免出现可靠性问题，从而帮助降低故障率。

很多技术都能帮助解决使用eMRAM进行设计时遇到的挑战，磁屏蔽和ECC只是其中的两种。为了使eMRAM的片上实现具有持久的耐用性和可靠性，内置自测（BIST）、修复和诊断解决方案，以及强大的芯片品控方法，可以发挥很大的作用。上市时间是另一个重要的考虑因素。为了缩短eMRAM设计的周转时间，开发者可以求助于能够快速编译eMRAM硬宏的编译器IP。

缩短可靠低功耗内存设计的周转时间

作为内存解决方案的资深开发商，新思科技提供各种解决方案，帮助加快高质量eMRAM的开发，其中包括：

• 新思科技eMRAM编译器IP，该IP提供了一个可配置的内存IP解决方案，可对实例大小和ECC方案等不同的功能进行优化。该IP能够提供eMRAM硬宏的即时编译，用时只需几分钟，从而帮助开发者缩短周转时间，并加快产品上市。
• 新思科技Self-Test and Repair (STAR) Memory System™，该系统为eMRAM提供了全套的测试、修复和诊断功能，能够在不影响测试覆盖率的情况下优化测试时间。可配置的内存BIST和修复算法能减少MRAM缺陷。
• 新思科技芯片生命周期管理系列，该系列解决方案可提供对芯片的洞察，以便开发者对性能水平或间隙进行调整，从而实现更好的操作。

事实上，内存仍将是每个电子设备或系统的重要组成部分。通过提供大容量、低功耗和工艺节点微缩，eMRAM有望在下一代高性能嵌入式应用中发挥更大的作用。