瑞萨电子公司近日，该公司宣布开发了嵌入式自旋传递转矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM，以下简称MRAM)测试芯片的电路技术，该芯片采用22nm工艺制作，具有快速读写操作。测试芯片包括一个32兆比特(Mbit)嵌入式MRAM存储单元阵列，在最高结温150℃下实现5.9纳秒(ns)随机读访问和5.8兆字节/秒(MB/s)的写吞吐量。
瑞萨电子于6月16日在夏威夷举行的2022年IEEE VLSI技术和电路研讨会上展示了这些成就。
随着物联网和人工智能技术的不断发展，用于端点设备的微控制器单元(mcu)预计将提供比以往更高的性能，因此需要使用更精细的工艺节点来制造。对于子22纳米工艺，后端制造的MRAM (BEOL)与前端制造的闪存(FEOL)相比具有优势，因为它与现有的CMOS逻辑工艺技术兼容，并且需要更少的额外掩模层。然而，MRAM的读取裕度比闪存小，这降低了读取速度。CPU工作频率和非易失性存储器的读取频率之间的巨大差距也是一个挑战，因为它会降低MCU的性能。
MRAM还可以实现比闪存更短的写入时间，因为它在写入操作之前不需要擦除操作。然而，还需要进一步提高速度，以缩短终端设备所需的空中(OTA)更新的系统停机时间，并降低终端产品制造商编写mcu控制代码的成本。
为了应对这些挑战，并响应市场对更高MCU性能的需求，瑞萨开发了以下电路技术，以实现MRAM中更快的读写操作。
1.采用高精度传感放大电路的快速读取技术
MRAM使用包括磁隧道结(MTJ)器件在内的存储单元，其中高阻和低阻状态分别对应于1和0的数据值来存储信息。差分传感器放大器通过读取存储单元电流和参考电流之间放电速度的电压差来区分这两种状态。然而，由于MRAM的1和0状态之间的存储单元电流差比闪存小，因此感应放大器读取的电压差也小。即使放电时间延长到感应放大器的差分输入节点之间的电压差更大，两个输入节点也容易在获得必要的电压差之前完全放电。这个问题在高温下尤其严重。
为了解决这一问题，瑞萨引入了一种利用电容耦合提高差分输入节点电压水平的技术，使差分放大器即使在存储单元电流差很小的情况下也能感知电压差，实现高精度和快速读取操作。
2.同时优化写位数和缩短模式转换时间的快速写技术
继2021年12月宣布的嵌入式STT-MRAM高速写入技术之后，该技术通过缩短写入操作期间的模式转换时间，实现了更高的速度。
这种技术划分了施加写电压的区域，通过在设置写电压之前输入写地址，它只选择性地将电压施加到必要的区域。这种方法减少了在写操作期间施加电压的区域上的寄生容性负载，减少了电压设置时间。因此，模式转换到写操作的时间减少了约30%，加快了写操作的速度。
瑞萨继续开发旨在将嵌入式MRAM技术应用于MCU产品的技术。这些技术有潜力极大地提高内存访问速度，这是目前MRAM的一个挑战，并超过100 MHz，使嵌入MRAM的mcu性能更高。更快的写入速度将有助于更有效地向端点设备编写代码。瑞萨致力于进一步提高mcu的容量、速度和电源效率，以适应一系列应用。