2020年11月13日 | MRAM：释放边缘计算无限潜能

边缘计算在工业物联网、机器人、可穿戴设备、人工智能、汽车和便携式设计等领域的应用正在不断增长。伴随着这种增长的是对高速、低延迟、非易失性、低功耗、低成本内存的需求，这些内存用于程序存储和数据备份。虽然有许多可用方案，包括SRAM、DRAM、闪存和电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，但这些技术都需要在一个或多个领域进行权衡，但对于边缘计算来说，他们似乎不太适合。

相反，设计者可以转向磁阻随机存取存储器(MRAM)。顾名思义，MRAM设备将数据存储在磁存储元素中，提供真正的随机访问，并允许在内存中随机读写。此外，它们的结构和操作具有低延迟、低泄漏、高写入周期数和高保持率的特点，这些都是边缘计算非常需要的。

本文将对常见内存EEPROM、SRAM和flash与MRAM的性能进行比较，以及MRAM在边缘计算应用中的好处。

内存技术比较

边缘计算应用程序的设计者有几种内存技术可供选择，每种技术都提供了不同的性能和权衡。在软件执行期间，DRAM通常为各种类型的处理器提供工作内存。它价格便宜，与SRAM相比速度相对较慢，耗能大，并且只在有电源供应时才保存数据。此外，DRAM内存单元易受辐射损坏。

SRAM比DRAM更快，也更贵。它经常被用作处理器的高速缓存，而DRAM提供主存。它也是最耗电的内存，像DRAM一样，它是一种易失性内存。SRAM单元易受到辐射破坏，DRAM和SRAM都提供了较高的耐久性。

EEPROM是一种使用外部电压来擦除数据的非易失性存储器。eeprom速度很慢，寿命有限——通常可达100万次，而且相对耗电较多。EEPROM是目前在内存技术中使用最少的。

Flash闪存是EEPROM的变体，具有更大的存储容量和更快的读写速度，但仍然相对较慢。Flash很便宜，而且数据在断电的情况下可以保存长达10年。然而，相对于其他内存类型，Flash使用起来更加复杂。数据必须以块的形式读取，不能逐字节读取。同样，在被重写之前，单元格必须被擦除。擦除必须逐块执行，而不是逐个字节执行。

就其本身而言，MRAM是一个真正的随机访问存储器; 在内存中允许读写操作随机发生。MRAM在待机状态下还具有零泄漏的特性，在85°C条件下承受1016次写循环和20年以上的数据保留能力。它目前提供的密度从4兆比特(Mbits)到16兆比特。

MRAM类似于flash技术，具有SRAM兼容的读/写周期(MRAM有时也被称为持久SRAM (P-SRAM))。因此，MRAM特别适合于那些必须以最小延迟存储和检索数据的应用程序。它将这种低延迟、低功耗、无限持久性、可伸缩性和非易变性结合在一起。MRAM对阿尔法粒子的固有免疫能力也让它能够经常暴露于辐射之下。

MRAM是如何工作的

MRAM中的数据是由磁存储元件存储。这些元素是由两块铁磁板组成的，两块铁磁板之间隔着一层薄薄的绝缘层，每一块铁磁板都能保持磁化。这种结构被称为磁隧道结(MTJ)。两块极板中的一块是在制造期间被设置为特定极性的永磁体;另一块板的磁化率可以随存储的数据进行改变。瑞萨电子最近增加了MRAM器件，该器件使用了一种基于垂直磁隧道结(p-MTJ)的专有自旋转移扭矩MRAM (STT-MRAM)。p-MTJ包括固定且不可改变的磁层、电介质阻挡层和可改变的铁磁存储层。

在编程操作中，根据p-MTJ元素的电流方向，存储层的磁场方向从平行状态(低电阻状态“0”)电切换到反平行状态(高电阻状态“1”)，反之亦然。这两种不同的电阻状态用于数据存储和感测。

MRAM用例

数据记录、物联网节点、边缘计算设备中的机器学习/人工智能以及医院中的RFID标签都可以用到MRAM。

数据记录器需要多兆位的非易失性存储器来容纳长期的数据积累。它们通常由电池供电，但也可以依靠收集能量来供电，因此需要低功率内存。在断电的情况下，记录的数据必须无限期地保留。MRAM正是最理想的选择。

MRAM持久性，结合极低的能耗模式，使物联网节点的代码和数据能够在极小的形状因素下从能源收割机或电池源操作(图3)。启动时间通常是物联网节点的一个重要考虑因素。MRAM利用原地算法（code-in-place）结构可减少所需的启动时间，由于对DRAM或SRAM的需求更少，所以减少了总体材料清单成本。

MRAM提供的持久性为新一代物联网节点的机器学习提供了可能，在这种节点中，推理算法不必在设备唤醒后每次都重新加载。像分析传感器数据、做出决策这种本地处理可以在某些情况下，重新配置节点。这种局部智能需要持久的低功耗内存。这些设备可以实时实现局部粗略推理，并可以利用云进行增强分析。

MRAM的高速度有利于在企业资源计划(ERP)系统、制造执行系统(MES)和监督控制和数据采集(SCADA)系统等边缘设备上实现机器学习。在这些系统中，数据被分析，中间模式被识别并与相邻领域共享。边缘架构要求的是处理速度和持久内存。

设计人员还可以将MRAM应用于医疗保健设备，其中射频识别(RFID)是最典型。它的低功耗，再加上它对辐射的免疫力，使它非常适合医疗环境。医院中使用RFID标签多种多样，包括库存管理、病人护理和安全、医疗设备标识以及消耗品的标识和监控。

高性能串行MRAM存储器

瑞萨的M30082040054X0IWAY适用于工业控制和自动化、医疗设备、可穿戴设备、网络系统、存储/RAID、汽车和机器人在内的边缘计算系统。它的密度从4兆到16兆不等。瑞萨的MRAM技术类似于闪存技术，具有与sram兼容的读/写周期。数据始终是非易失性的，具有1016个写入周期的持久性，并且在85°C时保持20年以上。

M30082040054X0IWAY具有串行外围接口(SPI)，消除了对软件设备驱动程序的需求。SPI是一个同步串行接口，为数据和时钟使用单独的线，以帮助保持主机和从机在完美的同步。时钟可准确地告诉接收器何时对数据线上的位进行采样。

M30082040054X0IWAY提供了基于硬件和软件的数据保护方案。硬件保护是通过WP#引脚。软件保护是由状态寄存器中的配置位控制的。这两种方案都禁止写入寄存器和内存数组。

M30082040054X0IWAY支持片上执行(XIP)，它允许完成一系列读和写指令，而不必为每条指令分别加载读或写命令。因此，XIP模式节省了命令开销，减少了随机读写访问时间。

（所谓片内执行不是说程序在存储器内执行，CPU的基本功能是取指、译码、运行。Nor Flash能在芯片内执行，指的是CPU能够直接从Nor flash中取指令，供后面的译码器和执行器来使用。）

M30082040054X0IWAY提供基于硬件和软件的数据保护方案。硬件保护是通过WP#引脚实现。软件保护是由状态寄存器中的配置位控制。这两种方案都禁止写入寄存器和内存数组。它有一个256字节的扩展存储阵列，独立于主存储器阵列。它是可编程的，并防止无意写入。

为了进一步满足低功耗应用，M30082040054X0IWAY有两种低功耗状态:深度断电和休眠。当设备处于这两种低功耗状态之一时，数据不会丢失。此外，设备保持其所有配置。

DFN (WSON)和8脚SOIC封装这些封装与类似的低功率挥发性和非挥发性产品兼容。它提供工业(-40°C至85°C)和工业plus(-40°C至105°C)的工作温度范围。

瑞萨高性能MRAM系列

与其他内存技术相比，MRAM可以显著降低总体能耗。但是，根据特定应用程序设计的使用模式，节省的能量可能有所不同。像其他非易失性存储器一样，写入所产生的电流要比读或待机产生的电流高得多。因此，在功耗要求高的应用程序中，写入时间需要最小化，特别是在需要频繁向内存写入的设计。与其他非易失性存储器(如EEPROM或flash)相比，MRAM更短的写入时间可以减少这种忧虑，并降低能耗。

通过使用MRAM，可以尽可能多地将内存放入待机状态，从而实现理论上的节能。与其他非易失性存储器相比，更快的写入速度使MRAM可以更频繁地进入待机状态。当使用电源门控时，通常需要一个较大的去耦电容器来支持电力需求。

瑞萨电子的新型MRAM器件系列，采用垂直磁隧道结STT（自旋转移矩效应）新专利技术，具有长期数据保留功能和快速串行接口。不仅如此，该系列产品还具有广泛的存储密度和耐高工作温度，因此适用于从需要快速备份数据检索的工厂自动化设备到需要长期数据存储的医疗数据单元的各种应用。 

瑞萨MRAM应用领域

工业控制和监视：存储用途包括实时数据存储，快速备份数据检索和机器操作程序代码。

多功能打印机：控制代码和用户设置存储，用于维护计划的使用情况数据日志以及用于检索单个事务的缓存缓冲区。

机器人：控制代码，配置文件和设置。通常非易失性存储器越大，机器人可以执行的指令越多。

数据交换机和路由器：存储系统配置，用户设置和固件。安全性和身份验证设置也将被存储。

助听器：将不同的用户操作设置存储在用户喜欢的各种活动和声音响应中。用户喜欢的设置，例如在不同使用和环境条件下的音量和音频频率，会被存储和激活。

数据驱动器：MRAM很快将广泛实现为固态存储（SSD）。

结论

MRAM支持边缘计算设计器的内存需求包括:

设备必须存储和检索数据，而不会产生较大延迟;

待机时零泄漏，低功耗;在85°C条件下，能够承受1016次写入循环，数据保持能力大于20年。

随着AI、物联网等领域的兴起，使得大数据的应用越来越广泛，而这些新兴领域在不断推进着存储器追赶先进制程的脚步，读取速度快、存储密度高、寿命长、电压低、尺寸更小成为存储技术急需突破创新的难题。使用传统内存技术(如DRAM、SRAM、flash和EEPROM)设计边缘计算设备需要各种权衡，这些权衡可能会限制性能。对于边缘计算， MRAM可提供真正的随机访问，允许读写在内存中随机发生。瑞萨高性能MRAM系列产品的出现，可以弥补传统存储技术的不足，打破制约存储技术发展的瓶颈。