MRAM的性能能力以及如何使用MRAM提高邊緣計算的可靠性

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)、機器人、醫(yī)療設(shè)備、可穿戴設(shè)備、人工智能、汽車和便攜式設(shè)計等應(yīng)用中，邊緣計算的使用日益增加。隨著這種需求的增加，程序存儲和數(shù)據(jù)備份等應(yīng)用也越來越需要高速、低延遲、非易失性、低功耗、低成本的存儲器。選擇雖然很多，包括靜態(tài)隨機存取存儲器 (SRAM)、動態(tài) RAM (DRAM)、閃存和電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM)，但這些廣泛使用的技術(shù)都需要在一個或多個方面進行取舍，如此便不太適合用于邊緣計算。

幸運的是，設(shè)計人員現(xiàn)在可以使用磁阻隨機存取存儲器 (MRAM)。顧名思義，MRAM 就是將數(shù)據(jù)存儲在磁性存儲元件中并提供真正隨機訪問的器件，允許在存儲器中隨機進行讀寫。由于自身的結(jié)構(gòu)和工作方式，MRAM 需要具有低延遲、低漏電、高寫入循環(huán)次數(shù)和長保留時間的特點，而這些都是邊緣計算非常需要的條件。

本文簡要比較了 EEPROM、SRAM、閃存等常見存儲器技術(shù)與 MRAM 的性能能力。然后，文中將說明在多個邊緣計算應(yīng)用中使用 MRAM 的好處，然后介紹來自Renesas Electronics的特定 MRAM 器件、一些 MRAM 使用技巧，以及一款能幫助設(shè)計人員著手設(shè)計的評估平臺。

存儲器技術(shù)比較

對于邊緣計算應(yīng)用，設(shè)計人員可以在幾種存儲器技術(shù)中進行選擇，每種技術(shù)都提供了不同的性能能力和取舍（圖 1）。DRAM 通常用于在軟件執(zhí)行期間為各種類型的處理器提供工作存儲空間。這種存儲器價格便宜、速度相對較慢（與 SRAM 相比）、功耗巨大，而且只有在供電時才能保留數(shù)據(jù)。另外，DRAM 存儲單元容易受到輻射破壞。 SRAM 比 DRAM 速度更快，價格更高。它通常用作處理器的高速緩存，而 DRAM 則提供主存儲器。SRAM 是本文所述功耗最高的存儲器，并且與 DRAM 一樣，它也是易失性存儲器。SRAM 單元容易受到輻射破壞，DRAM 和 SRAM 都具有出色的耐久性。

EEPROM 是一種非易失性存儲器，使用外部施加的電壓來擦除數(shù)據(jù)。EEPROM 速度慢，耐久性有限（通常最多擦寫一百萬次），并且功耗相對較高。在本文所述存儲器技術(shù)中，EEPROM 目前使用得最少。 閃存是 EEPROM 的一種變體，具有更大的存儲容量和更快的讀寫速度，但仍然相對較慢。閃存價格便宜，并且可以在斷電條件下保留數(shù)據(jù)長達 10 年。但是，相對于其他存儲器類型，閃存使用起來更為復(fù)雜。數(shù)據(jù)必須按塊讀取，不能逐字節(jié)讀取。同樣，在重寫之前，必須擦除存儲單元。擦除必須逐塊，而不是逐字節(jié)進行。

MRAM 是一種真正的隨機存取存儲器；允許在存儲器中隨機進行讀寫。MRAM 在待機狀態(tài)下還具有零漏電的特性，能夠承受 1016 次擦寫循環(huán)，并且在 85°C 下能夠保留數(shù)據(jù) 20 年以上。當(dāng)前提供的容量密度范圍從 4 Mb 到 16 Mb。 MRAM 技術(shù)類似于具有 SRAM 兼容讀/寫時序的閃存技術(shù)；MRAM 有時稱為持久性 SRAM (P-SRAM)。由于自身的特性，MRAM 特別適合必須以最小延遲存儲和檢索數(shù)據(jù)的應(yīng)用。該技術(shù)不但具有這種低延遲，還結(jié)合了低功耗、無限耐久性、可擴展性和非易失性。此外，MRAM 對 α 粒子的固有抗擾度還使其適用于經(jīng)常暴露于輻射的設(shè)備。

MRAM 工作原理

顧名思義，MRAM 中的數(shù)據(jù)由磁性存儲元件存儲。這些元件由兩塊鐵磁板構(gòu)成，每塊板都能保持磁化，中間用一層薄薄的絕緣層隔開。這種結(jié)構(gòu)稱為磁隧道結(jié) (MTJ)。在這兩塊板中，其中一塊在制造過程中被置為特定極性的永磁體；另一塊的磁化強度可以改變，以存儲數(shù)據(jù)。Renesas Electronics 最近新推出了 MRAM 器件，采用基于垂直磁隧道結(jié) (p-MTJ) 的專有自旋轉(zhuǎn)移矩 MRAM (STT-MRAM)。p-MTJ 包括固定不變的磁性層、電介質(zhì)阻擋層和可變的鐵磁存儲層（圖 2）。

在編程操作期間，根據(jù)流過 p-MTJ 元件的電流方向，存儲層的磁性取向從平行狀態(tài)（低阻抗?fàn)顟B(tài)“0”）電切換為反平行狀態(tài)（高阻抗?fàn)顟B(tài)“1”），或者反之亦然。這兩個不同的阻抗?fàn)顟B(tài)可用于數(shù)據(jù)存儲和感測。

MRAM 用例

MRAM 用例包括數(shù)據(jù)記錄、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點存儲器、邊緣計算設(shè)備機器學(xué)習(xí)/人工智能，以及醫(yī)院中的 RFID 標(biāo)簽。 數(shù)據(jù)記錄器需要數(shù)兆比特的非易失性存儲器，以容納長期積累的數(shù)據(jù)。記錄器通常由電池供電，但也可以依靠能量收集來供電，因此需要低功耗存儲器。斷電時，記錄的數(shù)據(jù)必須可無限期保留。MRAM 滿足數(shù)據(jù)記錄器的性能要求。 MRAM 的持久性與極低能耗模式相結(jié)合，可為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供統(tǒng)一的代碼和數(shù)據(jù)存儲解決方案，這些節(jié)點能采用極小的外形尺寸并由能量收集器或電池供電（圖 3）。啟動時間通常是物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的重要考慮因素。若使用 MRAM 實現(xiàn)原地編碼結(jié)構(gòu)，即可減少啟動所需的時間，并且由于對 DRAM 或 SRAM 的需求減少，還能降低總體的物料成本。

此外，MRAM 提供的持久性還能讓新一代物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進行機器學(xué)習(xí)，而無需在每次設(shè)備喚醒后都重新加載推理算法。本地處理包括分析傳感器數(shù)據(jù)、做出決策，甚至在某些情況下重新配置節(jié)點。這種本地智能化需要持久的低功耗存儲器。這些器件可以實現(xiàn)實時本地粗略推斷，并可以使用云端進行增強分析。

MRAM 的速度有利于在邊緣設(shè)備中實現(xiàn)機器學(xué)習(xí)，例如企業(yè)資源計劃 (ERP) 系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES)、監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)等。在這些系統(tǒng)中可對數(shù)據(jù)進行分析，確定中間模式，并與相鄰域共享。邊緣架構(gòu)需要快速處理能力和持久性存儲器。 設(shè)計人員還可以將 MRAM 應(yīng)用于射頻識別 (RFID) 非常有用的醫(yī)療保健設(shè)備中。低功耗加上抗輻射性能讓 MRAM 適用于醫(yī)院環(huán)境。醫(yī)院中的 RFID 標(biāo)簽有多種用途，包括庫存管理、患者護理和安全、醫(yī)療設(shè)備識別，以及耗材的識別和監(jiān)控。

高性能串行 MRAM 存儲器

在包括工業(yè)控制和自動化、醫(yī)療設(shè)備、可穿戴設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、倉儲/RAID、汽車和機器人在內(nèi)的邊緣計算系統(tǒng)中，設(shè)計人員都可以使用 Renesas 的M30082040054X0IWAY（圖 4）。該產(chǎn)品提供的容量密度范圍從 4 Mb 到 16 Mb。Renesas 的 MRAM 技術(shù)類似于具有 SRAM 兼容讀/寫時序的閃存技術(shù)。數(shù)據(jù)始終是非易失性的，具有 1016 次寫入循環(huán)的耐久性和 85°C 下超過 20 年的保留能力。 M30082040054X0IWAY 配備串行外設(shè)接口 (SPI)，因而無需軟件設(shè)備驅(qū)動程序。SPI 是一種同步串行接口，采用單獨的數(shù)據(jù)和時鐘線來幫助保持主機和從機的完美同步。時鐘可準(zhǔn)確告知接收器何時對數(shù)據(jù)線上的位進行采樣。這可以是時鐘信號的上升沿（從低到高）或下降沿（從高到低）或在兩個沿同時進行。

M30082040054X0IWAY 支持芯片內(nèi)執(zhí)行 (XIP)，可以完成一系列讀寫指令，而不必為每條指令單獨加載讀或?qū)懨?。因此，XIP 模式可節(jié)省命令開銷并減少隨機讀寫訪問時間。 M30082040054X0IWAY 提供基于硬件和軟件的數(shù)據(jù)保護方案。硬件保護通過 WP# 引腳提供。軟件保護由狀態(tài)寄存器中的配置位控制。

兩種方案均禁止寫入寄存器和存儲器陣列。該器件具有一個獨立于主存儲器陣列的 256 字節(jié)增強存儲陣列。此陣列可由用戶進行編程，并且可以進行寫保護以防意外寫入。 為了進一步滿足低功耗應(yīng)用，M30082040054X0IWAY 提供了兩種低功耗狀態(tài)：深度省電和休眠。當(dāng)器件處于這兩種低功耗狀態(tài)的任一種時，數(shù)據(jù)都不會丟失。此外，器件還會保留所有配置。 該器件采用小巧的 8 焊盤 DFN (WSON) 和 8 引腳 SOIC 封裝。這些封裝與類似的低功耗易失性和非易失性產(chǎn)品兼容。它提供工業(yè)（-40°C 至 85°C）和擴展工業(yè)工作溫度范圍（-40°C 至 105°C）選擇。

使用 MRAM

與其他存儲器技術(shù)相比，MRAM 可以顯著降低總能耗。但是，節(jié)能量可能會因特定應(yīng)用設(shè)計的使用模式而異。與其他非易失性存儲器一樣，寫入電流遠高于讀取或待機電流。因此，在功耗關(guān)鍵型應(yīng)用中，特別是在需要頻繁寫入存儲器的設(shè)計中，需要將寫入時間降到最少。與其他非易失性存儲器選擇（如 EEPROM 或閃存）相比，MRAM 較短的寫入時間可以緩解這種擔(dān)憂，并能降低能耗。 若采用電源選通系統(tǒng)架構(gòu)并盡可能地將存儲器置于待機狀態(tài)，MRAM 就可以實現(xiàn)額外的節(jié)能。MRAM 的上電至寫入時間更快，因此能比其他非易失性存儲器更頻繁地進入待機狀態(tài)。MRAM 在待機狀態(tài)下的零漏電對于這方面也有所幫助。請注意，采用電源選通技術(shù)時，通常需要使用更大的去耦電容器來支持上電能量需求。

MRAM 評估板

為了幫助設(shè)計人員著手使用 M30082040054X0IWAY，Renesas 提供了M3016-EVK評估套件。該套件包含 16 Mb MRAM，能夠讓用戶使用流行的 Arduino 板開發(fā)交互式硬件解決方案（圖 5）。該即插即用套件具有 Arduino 主機板并配套可與 PC 計算機 USB 接口通信的終端仿真器軟件。該評估板通過 UNO R3 針座安裝在 Arduino UNO 主機板的頂部。所提供的測試程序能夠讓用戶快速評估 MRAM 器件的功能。

結(jié)語

在利用諸如 DRAM、SRAM、閃存和 EEPROM 之類常規(guī)存儲器技術(shù)設(shè)計邊緣計算設(shè)備時，需要進行各種取舍，因而會限制性能。對于邊緣計算，設(shè)計人員可以考慮最近推出的 MRAM，它們提供了真正的隨機訪問能力，并允許在存儲器中進行隨機讀寫。 如上所述，MRAM 滿足了邊緣計算設(shè)計人員對存儲器的需求：器件必須能存儲和檢索數(shù)據(jù)而不會產(chǎn)生較大延遲；待機時零漏電以降低功耗；能夠承受1016次的寫入循環(huán)，并在 85°C 下保留數(shù)據(jù) 20 年以上。 作者：Jeff Shepard 來源：Digi-Key

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：如何使用 MRAM 提高邊緣計算的可靠性，減少延遲并降低功耗

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