被“吹爆”的MRAM，走向MCU

由于嵌入式閃存（eFlash）在28nm觸達(dá)極限，限制了MCU制程進(jìn)一步向前發(fā)展，廠商紛紛瞄準(zhǔn)了新型存儲(chǔ)，包括磁存儲(chǔ)器（MRAM/STT-MRAM/SOT-MRAM）、相變存儲(chǔ)器（PCM/PCRAM）、阻變存儲(chǔ)器（RRAM/ReRAM）和鐵電存儲(chǔ)器（FRAM/FeRAM）。

而在其中，MRAM一直被業(yè)界所追捧，華為、臺(tái)積電、三星、英特爾、新思科技等巨頭都曾經(jīng)耕耘過MRAM。無獨(dú)有偶，兩年前來自Coughlin Associates 的Tom Coughlin和來自O(shè)bjective Analysis的Jim Handy在一份報(bào)告中盛贊MRAM并看好其前景，他們給出的理由是MRAM類型豐富，應(yīng)用前景廣闊，綜合優(yōu)勢(shì)明顯。

早在2018年，業(yè)界曾流傳過這樣一句話：“MRAM進(jìn)駐MCU，28nm下將無閃存？”這兩年，MRAM不負(fù)眾望，廠商一個(gè)接一個(gè)地發(fā)布帶有MRAM的MCU。

MCU的存儲(chǔ)革命

對(duì)于MCU來說，嵌入式閃存（eFlash）存儲(chǔ)器是一種常用的內(nèi)置存儲(chǔ)器 （NVM）。由于片上內(nèi)存容量增加和eFlash達(dá)到28nm以下的極限，這種內(nèi)存空間正在迅速變化。

為了讓MCU繼續(xù)突破制程，同時(shí)加快MCU的NVM的傳輸速度，大廠紛紛選擇不同路線來突破MCU制程。

MCU設(shè)計(jì)框圖

英飛凌（Infineon）選擇阻變存儲(chǔ)器RRAM，推出臺(tái)積電28nm工藝的AURIX TC4x系列MCU。

意法半導(dǎo)體（ST）選擇相變存儲(chǔ)器PCM，推出三星28nm FD-SOI ePCM工藝的xMemory Stellar系列MCU，同時(shí)推動(dòng)升級(jí)至18nm FD-SOI工藝。

德州儀器（TI）選擇鐵電存儲(chǔ)器FRAM，其MSP430系列便擁有FRAM的相關(guān)產(chǎn)品。

瑞薩（Renasas）和恩智浦（NXP）選擇磁傳感器MRAM，NXP推出了全球首款區(qū)域控制器16nm FinFET+MRAM MCU S32K5，瑞薩則針對(duì)MRAM推出了臺(tái)積電22nm ULL工藝的RA8P1、RA8T2、RA8M2、RA8D2。

并不存在孰強(qiáng)孰弱的問題，畢竟沒有任何一種存儲(chǔ)技術(shù)是“六邊形戰(zhàn)士，每種新型存儲(chǔ)都有其優(yōu)勢(shì)之處。

不過，從磁性軟盤、磁帶時(shí)代，磁存儲(chǔ)器就已經(jīng)滲入了我們的生活，MRAM更像一個(gè)“全能手”，什么都能做一些，所以也就被大家所看好了。

看懂eMRAM

MRAM有多強(qiáng)？它有著介于SRAM和DRAM兩種易失性存儲(chǔ)技術(shù)之間的速度和面積，同時(shí)擁有讀寫次數(shù)無限、寫入速度快、功耗低、面積小、泄露小、容量高、抗輻射性和邏輯芯片整合度高的特點(diǎn)。目前MRAM實(shí)驗(yàn)室耐溫可達(dá)-40℃~150℃，覆蓋了車規(guī)芯片的-40℃~120℃。

從原理來看，與傳統(tǒng)的RAM不同，MRAM不以電荷或電流存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而是由自旋電子特性由鐵磁性和非磁性材料組成，形成磁隧道結(jié)MTJ (Magnetic tunnel junction）。即使斷開電源，MTJ也能保持極化，保留存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，MTJ存在各種各樣的結(jié)構(gòu)，這正是MRAM的復(fù)雜所在。

不同MTJ類型，圖源丨中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所

MRAM分為三代：第一代為MRAM，叫做磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型MRAM；第二代為STT-RAM（自旋轉(zhuǎn)移扭矩），通過通入垂直于隧道結(jié)的電流使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)；第三代MRAM技術(shù)分為兩種，分別為通過在重金屬層中通入面內(nèi)電流使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)的叫自旋軌道矩MRAM（SOT-MRAM）和通過施加電壓改變磁各向異性使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)的叫做壓控磁各向異性MRAM（VCMA-MRAM或MeRAM）。

目前第二代STT-MRAM占據(jù)主導(dǎo)地位。STT-MRAM在速度、面積、寫入次數(shù)和功耗方面能夠達(dá)到較好的折中，當(dāng)今最普通的STT-MRAM存儲(chǔ)器內(nèi)部組合方式是1T-1MTJ（one transistor,one magnetic tunnel junction)，1T-1MTJ擁有面積小，制造成本低和與CMOS工藝融合性好等優(yōu)點(diǎn)。

而在最近，臺(tái)積電也攻克了第三代SOT-MRAM產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題：盡管SOT-MRAM的理論優(yōu)勢(shì)明顯，但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，必須解決一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：自旋軌道耦合材料的熱穩(wěn)定性問題。研究團(tuán)隊(duì)的突破性方案是：在鎢層中插入超薄鈷層，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。

那么將eMRAM（嵌入式磁存儲(chǔ)器）應(yīng)用到MCU中，有什么優(yōu)勢(shì)？

根據(jù)新思科技介紹，與PCRAM和ReRAM相比，eMRAM具有更低的溫度靈敏度，提供更好的生產(chǎn)級(jí)良率，并提供更長(zhǎng)的耐用性（在多年的多個(gè)讀/寫周期中保留數(shù)據(jù)）。它允許字級(jí)擦除和程序作，使其成為節(jié)能的NVM解決方案。

盡管eMRAM的制造成本高于ReRAM，但其更高的可靠性和更低的可變性導(dǎo)致了面積高效和穩(wěn)健的設(shè)計(jì)，從而抵消了較高的晶圓成本。單個(gè)芯片可以通過eMRAM擁有更多內(nèi)存，或者使用eMRAM的設(shè)計(jì)可以在相同數(shù)量的內(nèi)存下更小、更節(jié)能。eMRAM已經(jīng)在22nm的領(lǐng)先代工廠投入生產(chǎn)，現(xiàn)在轉(zhuǎn)向FinFET節(jié)點(diǎn)。

此外，MRAM在極端環(huán)境下依然能保持出色的可靠性，并展現(xiàn)出卓越的功耗、性能與面積（PPA）綜合指標(biāo)。MRAM最初為滿足航空航天領(lǐng)域的嚴(yán)苛要求而研發(fā)，其通過可調(diào)磁層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)密度的最大化。得益于其出眾的功耗控制及性能表現(xiàn)，MRAM成為追求極致可靠性和數(shù)據(jù)完整性的應(yīng)用的理想之選。

在現(xiàn)代交通工具中，MRAM應(yīng)用尤為突出，如支持空中下載（OTA）軟件更新的智能汽車。此外，MRAM還有助于在不犧牲性能的前提下，降低高級(jí)微控制器（MCU）和AI加速器的能耗。

統(tǒng)一的eMRAM解決方案是先進(jìn)MCU的解決方案

當(dāng)然，MRAM也并非沒有缺點(diǎn)，它還面臨很多的挑戰(zhàn)，比如真實(shí)器件材料體系復(fù)雜、開關(guān)比低，CMOS工藝要完全匹配等，再比如動(dòng)態(tài)功耗、能量延遲效率和可靠性方面的瓶頸。

此外，MRAM對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)較為敏感，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。因此，在特定環(huán)境下，可能需要通過實(shí)施物理隔離措施或采用屏蔽技術(shù)來降低潛在風(fēng)險(xiǎn)。

雖然eMRAM具有吸引人的優(yōu)勢(shì)，但設(shè)計(jì)人員應(yīng)使用可靠、經(jīng)過硅驗(yàn)證的解決方案，并無縫集成內(nèi)置自檢（BIST）和錯(cuò)誤代碼糾正（ECC）支持。

MCU設(shè)計(jì)人員在將解決方案集成到SoC中時(shí)必須考慮eMRAM磁抗擾度，包括測(cè)試MRAM的靈敏度水平，以高斯（B場(chǎng)）或奧斯特（H場(chǎng)）報(bào)告，并將此規(guī)格告知其客戶。芯片附近任何可能變得磁性的元件（例如電感線圈）都會(huì)影響eMRAM性能，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須通過使這些元件與eMRAM保持足夠的距離來防止受到磁場(chǎng)干擾。

瑞薩和恩智浦瘋狂加碼

恩智浦這幾年對(duì)MCU制程迭代的“執(zhí)念很深”，因?yàn)殡S著軟件定義汽車（SDV）大行其道，市場(chǎng)對(duì)于區(qū)域控制器的需求越來越大。今年3月恩智浦推出的S32K5就是一個(gè)很典型的應(yīng)用MRAM的案例。

S32K5配置非常強(qiáng)大，兼具高性能、低功耗的特點(diǎn)，可集成多個(gè)不同ECU到單一系統(tǒng)或模塊，優(yōu)化成本與性能。其亮點(diǎn)有三：第一，強(qiáng)大的異構(gòu)計(jì)算能力，通過單核、多核或鎖步內(nèi)核配置的Cortex-M7@200MHz和Cortex R52@800MHz內(nèi)核、DSP、eIQ NPU，不僅可以加速AI/ML，還可通過低功耗子系統(tǒng)延長(zhǎng)電池壽、通過16FF技術(shù)和高效設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)冷卻；第二，創(chuàng)新的“核心到引腳”（core-to-pin）資源隔離，將系統(tǒng)資源安排到隔離環(huán)境中，如果安全層面出現(xiàn)問題可以將核重啟，該功能適用于內(nèi)存、TMA通道、外設(shè)以及輸入輸出（IO）；第三，支持最高2.5Gbps的10BaseT1S以太網(wǎng)加速和CAN加速，大幅度增強(qiáng)了SK32K5的確定性、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）。

S32K5為首個(gè)16nm FinFET+ MRAM的汽車MCU，并且MRAM容量高達(dá)41MB。對(duì)于16nm FinFET，恩智浦半導(dǎo)體資深副總裁兼汽車微控制器總經(jīng)理Manuel Alves認(rèn)為16nm是當(dāng)下區(qū)域控制器的理想之選，因?yàn)榧谢厔?shì)對(duì)算力和存儲(chǔ)的需求非常大；對(duì)于MRAM，Manuel Alves認(rèn)為這種新型存儲(chǔ)介質(zhì)具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一是寫入和編程速度極快，比閃存快10倍，可快速運(yùn)行，二是耐久性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)100萬次寫入，不僅可存代碼，還能用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，靈活性高，便于數(shù)據(jù)收集和跨區(qū)域存儲(chǔ)。

S32K5作為一款區(qū)域控制器，可在兩種不同場(chǎng)景下：一是集成所有實(shí)時(shí)控制功能，中央處理器僅負(fù)責(zé)應(yīng)用運(yùn)行，此為區(qū)域控制器的極端情況；二是中央計(jì)算集成整體功能，具備強(qiáng)大實(shí)時(shí)計(jì)算能力，區(qū)域控制器輕量化，成為連接終端節(jié)點(diǎn)與中央計(jì)算的接口，即區(qū)域聚合器或網(wǎng)關(guān)。

與恩智浦不同，瑞薩的視角則更偏向于邊緣AI一些。不光是用MRAM那么簡(jiǎn)單，而是瘋狂堆料、堆算力，讓自己的MCU擁有極致的性能，極致的跑分。

今年6月，瑞薩就在官網(wǎng)悄然上線了“全球最強(qiáng)MCU”RA8P1系列MCU。其采用22nm ULL 工藝制造，搭載0.5/1MB MRAM（可選 4/8MB 閃存），對(duì)比起來，RT1170采用的則是28nm FD - SOI制程工藝。根據(jù)瑞薩的說法，相較于閃存，MRAM具備更快的寫入速度、更高的耐用性和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)保持能力。

自2023年推出全球首款Cortex-M85 MCU后，這款MCU不光用上了最強(qiáng)的Arm M核1GHz Cortex-M85，同時(shí)還集成了Ethos-U55 NPU，屬于是把堆料做到極致了。

瑞薩彼時(shí)也同步推出了RA8D2，這款產(chǎn)品同樣是搭載了MRAM。

今年10月，瑞薩繼續(xù)用驚人的速度迭代產(chǎn)品，推出1GHz RA8T2 Cortex-M85微控制器，集成MRAM與EtherCAT賦能工業(yè)電機(jī)控制微控制器。該產(chǎn)品集成1MB MRAM、2MB帶 ECC校驗(yàn)的SRAM，同時(shí)為雙內(nèi)核分別配置256KB（M85）和 128KB（M33）緊耦合內(nèi)存（TCM），并支持SiP封裝擴(kuò)展至8MB外部閃存。

緊接著，瑞薩電子超高算力RA8系列新增兩款MCU產(chǎn)品，搭載1GHz雙核7300 CoreMark跑分及嵌入式MRAM技術(shù)——RA8M2和RA8D2微控制器（MCU）產(chǎn)品。

瑞薩表示，RA8M2和RA8D2搭載嵌入式MRAM，相較閃存技術(shù)具備多重優(yōu)勢(shì)——高耐用性與更強(qiáng)的數(shù)據(jù)保持能力、更快的寫入速度、無需擦除操作、支持字節(jié)尋址，同時(shí)具備更低的漏電流和制造成本。對(duì)于要求更高的應(yīng)用，還提供單個(gè)封裝中帶有4或8MB外部閃存的SIP選項(xiàng)。此外，RA8M2和RA8D2兩款MCU均包含千兆以太網(wǎng)接口和雙端口TSN交換機(jī)，可滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

可以說，最近的瑞薩不光死磕M85，同時(shí)還死磕MRAM，目前來看，瑞薩的RA8系列可謂是幾乎覆蓋了各個(gè)領(lǐng)域。

隨著MRAM進(jìn)入MCU，MRAM的迭代速度更快了。磁作為一種人類長(zhǎng)期使用的存儲(chǔ)方式，正在不斷被發(fā)揚(yáng)，臺(tái)積電也在不斷推進(jìn)第三代SOT-MRAM進(jìn)入產(chǎn)業(yè)的腳步。當(dāng)然，也并不是說MRAM就是MCU的唯一選項(xiàng)，面對(duì)不同應(yīng)用，不同場(chǎng)景，不同存儲(chǔ)都有其不同的特性。

參考文獻(xiàn)

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[4]https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEwi8zPKBzbeQAxVMsVYBHYJDAuE4MhAWegQIJxAB&url=https%3A%2F%2Fwww.everspin.com%2Ffile%2F157512%2Fdownload&usg=AOvVaw2K7ISczLTp5Chh1iEZHOUy&opi=89978449

[5]hotchips：https://hc33.hotchips.org/assets/program/posters/HC2021.Antaios.BarryHoberman.vFinal01.pdf

[6]半導(dǎo)體行業(yè)觀察：https://mp.weixin.qq.com/s/vXwt-I1L_PPD4EeQmQUUkw

[7]NXP：https://www.nxp.com/docs/en/brochure/BRMRAMTECHGUIDE.pdf

[8]https://www.mram-info.com/everspin-raised-29-million-global-foundries-western-digital-and-others

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[10]Na T, Kang S H, Jung S O. STT-MRAM sensing: a review[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2020, 68(1): 12-18.

[11]strongerHuang：https://mp.weixin.qq.com/s/N2IRUBrdL4ALoEpEwR2vjQ

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