被“吹爆”的MRAM，走向MCU

由于嵌入式閃存（eFlash）在28nm觸達極限，限制了MCU制程進一步向前發展，廠商紛紛瞄準了新型存儲，包括磁存儲器（MRAM/STT-MRAM/SOT-MRAM）、相變存儲器（PCM/PCRAM）、阻變存儲器（RRAM/ReRAM）和鐵電存儲器（FRAM/FeRAM）。

而在其中，MRAM一直被業界所追捧，華為、臺積電、三星、英特爾、新思科技等巨頭都曾經耕耘過MRAM。無獨有偶，兩年前來自Coughlin Associates 的Tom Coughlin和來自Objective Analysis的Jim Handy在一份報告中盛贊MRAM并看好其前景，他們給出的理由是MRAM類型豐富，應用前景廣闊，綜合優勢明顯。

早在2018年，業界曾流傳過這樣一句話：“MRAM進駐MCU，28nm下將無閃存？”這兩年，MRAM不負眾望，廠商一個接一個地發布帶有MRAM的MCU。

MCU的存儲革命

對于MCU來說，嵌入式閃存（eFlash）存儲器是一種常用的內置存儲器 （NVM）。由于片上內存容量增加和eFlash達到28nm以下的極限，這種內存空間正在迅速變化。

為了讓MCU繼續突破制程，同時加快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設計框圖

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

意法半導體（ST）選擇相變存儲器PCM，推出三星28nm FD-SOI ePCM工藝的xMemory Stellar系列MCU，同時推動升級至18nm FD-SOI工藝。

德州儀器（TI）選擇鐵電存儲器FRAM，其MSP430系列便擁有FRAM的相關產品。

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

并不存在孰強孰弱的問題，畢竟沒有任何一種存儲技術是“六邊形戰士，每種新型存儲都有其優勢之處。

不過，從磁性軟盤、磁帶時代，磁存儲器就已經滲入了我們的生活，MRAM更像一個“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？它有著介于SRAM和DRAM兩種易失性存儲技術之間的速度和面積，同時擁有讀寫次數無限、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。目前MRAM實驗室耐溫可達-40℃~150℃，覆蓋了車規芯片的-40℃~120℃。

從原理來看，與傳統的RAM不同，MRAM不以電荷或電流存儲數據，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MTJ (Magnetic tunnel junction）。即使斷開電源，MTJ也能保持極化，保留存儲的數據。現在，MTJ存在各種各樣的結構，這正是MRAM的復雜所在。

不同MTJ類型，圖源丨中國科學院上海微系統與信息技術研究所

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

目前第二代STT-MRAM占據主導地位。STT-MRAM在速度、面積、寫入次數和功耗方面能夠達到較好的折中，當今最普通的STT-MRAM存儲器內部組合方式是1T-1MTJ（one transistor,one magnetic tunnel junction)，1T-1MTJ擁有面積小，制造成本低和與CMOS工藝融合性好等優點。

而在最近，臺積電也攻克了第三代SOT-MRAM產業化的關鍵問題：盡管SOT-MRAM的理論優勢明顯，但要實現產業化應用，必須解決一個關鍵技術瓶頸：自旋軌道耦合材料的熱穩定性問題。研究團隊的突破性方案是：在鎢層中插入超薄鈷層，形成復合結構。

那么將eMRAM（嵌入式磁存儲器）應用到MCU中，有什么優勢？

根據新思科技介紹，與PCRAM和ReRAM相比，eMRAM具有更低的溫度靈敏度，提供更好的生產級良率，并提供更長的耐用性（在多年的多個讀/寫周期中保留數據）。它允許字級擦除和程序作，使其成為節能的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致了面積高效和穩健的設計，從而抵消了較高的晶圓成本。單個芯片可以通過eMRAM擁有更多內存，或者使用eMRAM的設計可以在相同數量的內存下更小、更節能。eMRAM已經在22nm的領先代工廠投入生產，現在轉向FinFET節點。

此外，MRAM在極端環境下依然能保持出色的可靠性，并展現出卓越的功耗、性能與面積（PPA）綜合指標。MRAM最初為滿足航空航天領域的嚴苛要求而研發，其通過可調磁層設計實現了存儲密度的最大化。得益于其出眾的功耗控制及性能表現，MRAM成為追求極致可靠性和數據完整性的應用的理想之選。

在現代交通工具中，MRAM應用尤為突出，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，降低高級微控制器（MCU）和AI加速器的能耗。

統一的eMRAM解決方案是先進MCU的解決方案

當然，MRAM也并非沒有缺點，它還面臨很多的挑戰，比如真實器件材料體系復雜、開關比低，CMOS工藝要完全匹配等，再比如動態功耗、能量延遲效率和可靠性方面的瓶頸。

此外，MRAM對強磁場較為敏感，這在一定程度上限制了其應用范圍。因此，在特定環境下，可能需要通過實施物理隔離措施或采用屏蔽技術來降低潛在風險。

雖然eMRAM具有吸引人的優勢，但設計人員應使用可靠、經過硅驗證的解決方案，并無縫集成內置自檢（BIST）和錯誤代碼糾正（ECC）支持。

MCU設計人員在將解決方案集成到SoC中時必須考慮eMRAM磁抗擾度，包括測試MRAM的靈敏度水平，以高斯（B場）或奧斯特（H場）報告，并將此規格告知其客戶。芯片附近任何可能變得磁性的元件（例如電感線圈）都會影響eMRAM性能，因此系統設計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干擾。

瑞薩和恩智浦瘋狂加碼

恩智浦這幾年對MCU制程迭代的“執念很深”，因為隨著軟件定義汽車（SDV）大行其道，市場對于區域控制器的需求越來越大。今年3月恩智浦推出的S32K5就是一個很典型的應用MRAM的案例。

S32K5配置非常強大，兼具高性能、低功耗的特點，可集成多個不同ECU到單一系統或模塊，優化成本與性能。其亮點有三：第一，強大的異構計算能力，通過單核、多核或鎖步內核配置的Cortex-M7@200MHz和Cortex R52@800MHz內核、DSP、eIQ NPU，不僅可以加速AI/ML，還可通過低功耗子系統延長電池壽、通過16FF技術和高效設計實現被動冷卻；第二，創新的“核心到引腳”（core-to-pin）資源隔離，將系統資源安排到隔離環境中，如果安全層面出現問題可以將核重啟，該功能適用于內存、TMA通道、外設以及輸入輸出（IO）；第三，支持最高2.5Gbps的10BaseT1S以太網加速和CAN加速，大幅度增強了SK32K5的確定性、時間敏感網絡（TSN）。

S32K5為首個16nm FinFET+ MRAM的汽車MCU，并且MRAM容量高達41MB。對于16nm FinFET，恩智浦半導體資深副總裁兼汽車微控制器總經理Manuel Alves認為16nm是當下區域控制器的理想之選，因為集中化趨勢對算力和存儲的需求非常大；對于MRAM，Manuel Alves認為這種新型存儲介質具備獨特的優勢，一是寫入和編程速度極快，比閃存快10倍，可快速運行，二是耐久性強，能實現100萬次寫入，不僅可存代碼，還能用于數據存儲，靈活性高，便于數據收集和跨區域存儲。

S32K5作為一款區域控制器，可在兩種不同場景下：一是集成所有實時控制功能，中央處理器僅負責應用運行，此為區域控制器的極端情況；二是中央計算集成整體功能，具備強大實時計算能力，區域控制器輕量化，成為連接終端節點與中央計算的接口，即區域聚合器或網關。

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，瑞薩就在官網悄然上線了“全球最強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），對比起來，RT1170采用的則是28nm FD - SOI制程工藝。根據瑞薩的說法，相較于閃存，MRAM具備更快的寫入速度、更高的耐用性和更強的數據保持能力。

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

瑞薩彼時也同步推出了RA8D2，這款產品同樣是搭載了MRAM。

今年10月，瑞薩繼續用驚人的速度迭代產品，推出1GHz RA8T2 Cortex-M85微控制器，集成MRAM與EtherCAT賦能工業電機控制微控制器。該產品集成1MB MRAM、2MB帶 ECC校驗的SRAM，同時為雙內核分別配置256KB（M85）和 128KB（M33）緊耦合內存（TCM），并支持SiP封裝擴展至8MB外部閃存。

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

瑞薩表示，RA8M2和RA8D2搭載嵌入式MRAM，相較閃存技術具備多重優勢——高耐用性與更強的數據保持能力、更快的寫入速度、無需擦除操作、支持字節尋址，同時具備更低的漏電流和制造成本。對于要求更高的應用，還提供單個封裝中帶有4或8MB外部閃存的SIP選項。此外，RA8M2和RA8D2兩款MCU均包含千兆以太網接口和雙端口TSN交換機，可滿足工業網絡應用場景的需求。

可以說，最近的瑞薩不光死磕M85，同時還死磕MRAM，目前來看，瑞薩的RA8系列可謂是幾乎覆蓋了各個領域。

隨著MRAM進入MCU，MRAM的迭代速度更快了。磁作為一種人類長期使用的存儲方式，正在不斷被發揚，臺積電也在不斷推進第三代SOT-MRAM進入產業的腳步。當然，也并不是說MRAM就是MCU的唯一選項，面對不同應用，不同場景，不同存儲都有其不同的特性。

參考文獻

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[2]新思科技：https://www.synopsys.com/blogs/chip-design/what-is-emram.html

[3]新思科技：https://mp.weixin.qq.com/s/j2Ps_mX7tAx2rgIUOV-3Zw

[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]半導體行業觀察：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

[9]Cai H, Kang W, Wang Y, et al. High performance MRAM with spin-transfer-torque and voltage-controlled magnetic anisotropy effects[J]. Applied Sciences, 2017, 7(9): 929.

[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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