瑞萨采用动态电荷泵，突破MRAM写入瓶颈

随着磁阻随机存取存储器（MRAM）写入技术的新改进，瑞萨声称将改善物联网（IoT）应用的功耗，并进一步推动MRAM。

虽然目前行业中存在许多内存技术，但MRAM技术希望拥有独特的潜力，报告估计这项技术从现在到2026年将以25%的复合年增长率增长，到2026年达到62亿美元。

MRAM提供非易失性存储器、低功耗、对称和快速的读写速度，许多人认为它最终将取代静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）技术。

不同内存技术比较。图片来源：Synopsys

尽管MRAM技术有很多好处，但由于存在一些挑战，它的应用一直很缓慢，我们将在本文后面深入探讨。

然而，为了改善MRAM技术以增加其在低功耗空间的应用，瑞萨最近宣布了一种新的MRAM写入技术。

在这篇文章中，我们将讨论MRAM技术和瑞萨公司的新改进。

MRAM技术概述 

MRAM技术是一种相对较新的存储器技术形式，与传统存储器相比具有许多优势。

MRAM技术的工作原理是利用两块磁性材料彼此之间的相对极性将影响其电阻这一事实。更简单地说，如果两块磁铁挨在一起，其中一块的北极接触到另一块的南极，那么磁结的电阻就非常低，反之亦然。MRAM使用这两种电阻状态，高或低，来存储逻辑值，1或0。

同时处于逻辑1和0状态的MRAM单元。截图由Microchip提供

总的来说，MRAM声称具有作为非易失性存储器的优势，其速度足以作为RAM使用，同时还提供对称的读写时间。

MRAM的挑战 

对于MRAM来说，可能很难判断写入何时完成，从而导致时间、功耗的浪费，以及潜在的不可靠的数据状态。

一种传统方法是使用自我终止的写入方案，该方案使用比较器电路来监测存储单元，并在检测到完成时停止写入。然而，由于存储单元特性的变化和受到比较器电路检测精度的限制，这种解决方案并不完全可靠。

一个MRAM电荷泵电路的例子。图片由美国专利NO20060239056提供。

另一个挑战是，从历史上看，MRAM的写入电压是由存储单元特性变化中最差的位写入特性决定的（即按比例提高写入电压以适应最差情况）。

这一要求导致MRAM单元使用相对较大的写入电压，导致需要一个专门的电荷泵电路来产生这些电压。此外，这种额外的电路会占用空间和功率，而缓解这种情况的解决方案会导致MRAM写入时间增加。

瑞萨如何应对MRAM写入挑战

最近，瑞萨公司宣布，他们已经开发了应对MRAM挑战的解决方案，即前面提到的那些解决方案，这两个方案都致力于节省MRAM技术的功耗。

为了解决写入完成检测的挑战，瑞萨公司提出，在写入操作过程中，他们不应该应用固定的电压，而应该应用一个随时间逐渐增加的斜率电压。

使用这种方法，即使存储单元的电流没有达到足够高的检测水平，持续上升的斜率电压也能确保存储单元的电流最终超过检测水平。

此外，为了解决写入电压大的问题，瑞萨认识到，设计者可以通过允许高达10%的故障位来降低这些电压。

从本质上讲，该技术包括首先用一个非常小的写入电压写入所有位，然后用一个大的、充电泵电压对约10%的失效位进行跟踪。在这种技术中，大多数比特不需要耗费功率的充电泵电压，从而节省了时间和功率。

总的来说，通过结合这两项技术，瑞萨公司报告说，在一个20MB的MRAM单元中，写入能量减少了72%，写入时间缩短了50%。

为MRAM铺平道路 

随着MRAM技术的这些进展，瑞萨希望在微控制器单元（MCU）中实现未来的低功率，并在物联网等应用中利用MRAM技术。

随着对更好和更低功率的存储器的需求成为一种需要，而不是一种愿望，MRAM技术的发展道路看起来很有希望，像瑞萨这样的公司正在接受其设计挑战。看看这项技术在未来的发展方向，以及像瑞萨这样的公司将把它带向何方，将是一件很有趣的事情。