MCU 测试芯片嵌入 10．8 Mbit STT－MRAM 存储器

具有 10.8 Mbit 磁阻随机存取存储器 (MRAM) 存储单元阵列的原型 MCU 测试芯片（采用 22 nm 嵌入式 MRAM 工艺制造）声称可以实现超过 200 MHz 的随机读取访问频率和 10.4 MB 的写入吞吐量/s，结温为 125°C。

瑞萨电子为这种嵌入式自旋转移矩 MRAM (STT-MRAM) 测试芯片开发了电路技术，并于 2 月 20 日在 2 月 18 日至 22 日在美国旧金山举行的 2024 年国际固态电路会议 (ISSCC 2024) 上介绍了该芯片的详细信息。弗朗西斯科. 这家日本芯片制造商设计了这款嵌入式 MRAM 宏，以增强高性能 MCU 的读取访问和写入吞吐量。

图 1 MCU 测试芯片包含 10.8 Mbit 嵌入式 MRAM 存储单元阵列。

端点设备中的微控制器预计将提供比以往更高的性能，特别是在物联网 (IoT) 和人工智能 (AI) 应用中。这里，高性能MCU的CPU时钟频率在数百MHz，为了获得更高的性能，需要提高嵌入式非易失性存储器的读取速度，以尽量减少它们与CPU时钟频率之间的差距。

然而，MRAM 的读取余量比传统 MCU 中使用的闪存更小，这使得高速读取操作更加困难。同时，MRAM 的写入性能比闪存更快，因为它在执行写入操作之前不需要擦除操作。这就是为什么缩短写入时间不仅对于日常使用来说是可取的，而且对于降低在测试过程中编写测试模式和终产品制造商编写控制代码的成本也是有利的。

瑞萨电子开发了具有快速读写操作的嵌入式 STT-MRAM 测试芯片的电路技术，以解决这一设计难题。

更快的读写速度

首先，进行MRAM读取，这通常由差分放大器或读出放大器来执行，以确定存储单元电流或参考电流哪个更大。但由于 MRAM 的 0 和 1 状态（读取窗口）之间的存储单元电流差异小于闪存，因此参考电流必须定位在读取窗口的中心，以便更快地读取。

因此，瑞萨电子引入了两种机制来实现更快的读取速度。首先，它根据测试过程中测量的每个芯片的存储单元的实际电流分布，将参考电流对齐在窗口的中心。其次，它减少了读出放大器的偏移。

瑞萨电子工程师克服的另一个挑战与传统配置有关，其中电路中的大寄生电容用于控制位线电压，因此在读取操作期间电压不会升得太高。虽然它会减慢读取过程，但瑞萨电子推出了共源共栅连接方案，以减少寄生电容并加快读取速度。这使得设计工程师能够以超过 200 MHz 的频率实现随机读取操作。

接下来，对于写入操作，值得一提的是，瑞萨电子于 2021 年 12 月宣布，通过使用外部电压（I/O 电源）产生的相对较低的写入电压，将写入电压同时施加到写入单元中的所有位，从而提高了写入吞吐量MCU通过降压电路。然后，它仅对剩余的少数无法写入的位使用较高的写入电压。

图 2 2021 年末，瑞萨电子宣布提高 16 纳米节点制造的 STT-MRAM 测试芯片的写入速度。

现在，虽然测试过程和终产品制造商使用的电源条件稳定，但瑞萨电子放宽了外部电压的下限。因此，通过在阶段将外部电压的较高降压电压设置为施加到所有位，可以将写入吞吐量提高1.8倍。更快的写入速度将有助于在端点设备中更高效地编写代码。

测试芯片评估

原型 MCU 测试芯片结合了上述两项增强功能，提供使用 22 nm 嵌入式工艺制造的 10.8 Mbit MRAM 存储单元阵列。原型芯片的评估验证了它实现了超过 200 MHz 的随机读取访问频率和 10.4 MB/s 的写入吞吐量。

MCU 测试芯片还包含 0.3 Mbit 的性可编程 (OTP) 存储器，该存储器使用 MRAM 单元击穿来防止数据伪造。这使得它能够存储安全信息。然而，写入 OTP 需要比写入 MRAM 更高的电压，这使得在电源电压通常不太稳定的现场执行写入变得更加困难。瑞萨电子抑制了存储单元阵列内的寄生电阻，从而使现场写入成为可能。