随着物联网和人工智能技术的进步，终端设备中使用的微控制器（MCU）有望实现前所未有的性能。高性能MCU的CPU时钟频率可达数百MHz，因此，为了获得更高的性能，必须提高集成非易失性存储器（MRAM）的读取速度，以缩小MRAM与CPU时钟频率之间的差距。MRAM的读取余量低于传统MCU中使用的闪存，这使得高速读取操作更具挑战性。另一方面，在写入性能方面，MRAM比闪存更快，因为它在写入之前不需要任何擦除操作。.

另一方面，就写入性能而言，MRAM 比闪存更快，因为它在写入前无需任何擦除操作。然而，缩短写入时间不仅对日常使用至关重要，而且对于降低测试过程中写入测试模式的成本以及最终产品制造商编写控制代码的成本也同样重要。

为了应对这些挑战，瑞萨电子开发了以下新的电路技术，以实现更快的 MRAM 读写操作。

(1) 快速读取技术
：MRAM 读取通常使用差分放大器（传感器放大器）来确定存储单元电流和参考电流哪个更大。然而，由于 MRAM 中状态 0 和状态 1 之间的存储单元电流差（读取窗口）比闪存小，因此为了实现更快的读取速度，参考电流必须精确地位于读取窗口的中心。这项新技术引入了两种机制。第一种机制基于测试过程中测量的每个芯片中存储单元的实际电流分布，将参考电流对准窗口中心。第二种机制则降低了传感器放大器的偏差。这些调整可以提高读取速度。

此外，在传统配置中，用于控制位线电压以防止其在读取操作期间过高的电路中存在较大的寄生电容。这会减慢读取过程，因此本电路引入了共源共栅连接方案（注1）来降低寄生电容并加速读取。

得益于这些改进，瑞萨电子实现了全球最快的4.2 ns随机读取访问时间。即使考虑到接收MRAM输出数据的接口电路的准备时间，我们也能以超过200 MHz的频率执行随机读取操作。

(2) 高速写入技术
对于写入操作， 嵌入式STT-MRAM高速写入技术 通过以下方式提高了写入性能：首先，使用由MCU芯片外部电压（I/O电源）通过降压电路产生的相对较低的写入电压，同时对写入单元的所有位施加写入电压；然后，仅对剩余的少数无法写入的位使用更高的写入电压。此次，瑞萨电子考虑到测试流程和最终产品制造商所使用的电源条件较为稳定，因此可以放宽外部电压的下限。通过在第一级对所有比特施加更高的外部电压降压值，写入性能可以提升1.8倍。

通过结合上述新技术，我们采用 22 nm 嵌入式 MRAM 工艺制造了一款原型 MCU 测试芯片，该芯片集成了一个 10.8 Mbit 的 MRAM 存储单元阵列。原型芯片的评估结果表明，其随机读取频率超过 200 MHz，在最高结温 125°C 下写入速度达到 10.4 MB/s。

该测试芯片还包含 0.3 Mbit 的 OTP（注 2），利用 MRAM 单元的断裂来防止数据篡改。该存储器可用于存储安全信息。与 MRAM 相比，OTP 的写入电压更高，因此难以在电源电压通常不稳定的现场进行写入。然而，通过抑制存储单元阵列内的寄生电阻，这项新技术也使得在现场进行写入成为可能。

瑞萨电子将继续开发将 MRAM 集成到 MCU 中的技术（IEDM 2021， VLSI 2022）。这些新技术有望将内存访问速度大幅提升至 200 MHz 以上，从而实现集成 MRAM 的高性能 MCU。更快的写入速度将有助于提高终端设备的代码写入效率。瑞萨电子致力于进一步提升 MRAM 的容量、速度和能效。


注：
级联是指将共源晶体管与施加直流栅极偏置的晶体管串联的一种配置。

一次性可编程存储器 (OTP)。将 MRAM 存储器阵列的一部分配置为 OTP，可以实现比使用电子熔丝或晶体管氧化膜断裂的通用宏 OTP 更小的面积。.