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MRAM的性能能力以及如何使用MRAM提高边缘计算的可靠性

2020-12-07 11:26:34 6次

在工业物联网 (IIoT)、机器人、医疗设备、可穿戴设备、人工智能、汽车和便携式设计等应用中,边缘计算的使用日益增加。随着这种需求的增加,程序存储和数据备份等应用也越来越需要高速、低延迟、非易失性、低功耗、低成本的存储器。选择虽然很多,包括静态随机存取存储器 (SRAM)、动态 RAM (DRAM)、闪存和电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM),但这些广泛使用的技术都需要在一个或多个方面进行取舍,如此便不太适合用于边缘计算。  

幸运的是,设计人员现在可以使用磁阻随机存取存储器 (MRAM)。顾名思义,MRAM 就是将数据存储在磁性存储元件中并提供真正随机访问的器件,允许在存储器中随机进行读写。由于自身的结构和工作方式,MRAM 需要具有低延迟、低漏电、高写入循环次数和长保留时间的特点,而这些都是边缘计算非常需要的条件。  

本文简要比较了 EEPROM、SRAM、闪存等常见存储器技术与 MRAM 的性能能力。然后,文中将说明在多个边缘计算应用中使用 MRAM 的好处,然后介绍来自 Renesas Electronics 的特定 MRAM 器件、一些 MRAM 使用技巧,以及一款能帮助设计人员着手设计的评估平台。  

存储器技术比较

对于边缘计算应用,设计人员可以在几种存储器技术中进行选择,每种技术都提供了不同的性能能力和取舍(图 1)。DRAM 通常用于在软件执行期间为各种类型的处理器提供工作存储空间。这种存储器价格便宜、速度相对较慢(与 SRAM 相比)、功耗巨大,而且只有在供电时才能保留数据。另外,DRAM 存储单元容易受到辐射破坏。   SRAM 比 DRAM 速度更快,价格更高。它通常用作处理器的高速缓存,而 DRAM 则提供主存储器。SRAM 是本文所述功耗最高的存储器,并且与 DRAM 一样,它也是易失性存储器。SRAM 单元容易受到辐射破坏,DRAM 和 SRAM 都具有出色的耐久性。  

EEPROM 是一种非易失性存储器,使用外部施加的电压来擦除数据。EEPROM 速度慢,耐久性有限(通常最多擦写一百万次),并且功耗相对较高。在本文所述存储器技术中,EEPROM 目前使用得最少。   闪存是 EEPROM 的一种变体,具有更大的存储容量和更快的读写速度,但仍然相对较慢。闪存价格便宜,并且可以在断电条件下保留数据长达 10 年。但是,相对于其他存储器类型,闪存使用起来更为复杂。数据必须按块读取,不能逐字节读取。同样,在重写之前,必须擦除存储单元。擦除必须逐块,而不是逐字节进行。  

MRAM 是一种真正的随机存取存储器;允许在存储器中随机进行读写。MRAM 在待机状态下还具有零漏电的特性,能够承受 1016 次擦写循环,并且在 85°C 下能够保留数据 20 年以上。当前提供的容量密度范围从 4 Mb 到 16 Mb。   MRAM 技术类似于具有 SRAM 兼容读/写时序的闪存技术;MRAM 有时称为持久性 SRAM (P-SRAM)。由于自身的特性,MRAM 特别适合必须以最小延迟存储和检索数据的应用。该技术不但具有这种低延迟,还结合了低功耗、无限耐久性、可扩展性和非易失性。此外,MRAM 对 α 粒子的固有抗扰度还使其适用于经常暴露于辐射的设备。  

MRAM 工作原理

顾名思义,MRAM 中的数据由磁性存储元件存储。这些元件由两块铁磁板构成,每块板都能保持磁化,中间用一层薄薄的绝缘层隔开。这种结构称为磁隧道结 (MTJ)。在这两块板中,其中一块在制造过程中被置为特定极性的永磁体;另一块的磁化强度可以改变,以存储数据。Renesas Electronics 最近新推出了 MRAM 器件,采用基于垂直磁隧道结 (p-MTJ) 的专有自旋转移矩 MRAM (STT-MRAM)。p-MTJ 包括固定不变的磁性层、电介质阻挡层和可变的铁磁存储层(图 2)。  

在编程操作期间,根据流过 p-MTJ 元件的电流方向,存储层的磁性取向从平行状态(低阻抗状态“0”)电切换为反平行状态(高阻抗状态“1”),或者反之亦然。这两个不同的阻抗状态可用于数据存储和感测。  

MRAM 用例

MRAM 用例包括数据记录、物联网节点存储器、边缘计算设备机器学习/人工智能,以及医院中的 RFID 标签。   数据记录器需要数兆比特的非易失性存储器,以容纳长期积累的数据。记录器通常由电池供电,但也可以依靠能量收集来供电,因此需要低功耗存储器。断电时,记录的数据必须可无限期保留。MRAM 满足数据记录器的性能要求。   MRAM 的持久性与极低能耗模式相结合,可为物联网节点提供统一的代码和数据存储解决方案,这些节点能采用极小的外形尺寸并由能量收集器或电池供电(图 3)。启动时间通常是物联网节点的重要考虑因素。若使用 MRAM 实现原地编码结构,即可减少启动所需的时间,并且由于对 DRAM 或 SRAM 的需求减少,还能降低总体的物料成本。  

此外,MRAM 提供的持久性还能让新一代物联网节点进行机器学习,而无需在每次设备唤醒后都重新加载推理算法。本地处理包括分析传感器数据、做出决策,甚至在某些情况下重新配置节点。这种本地智能化需要持久的低功耗存储器。这些器件可以实现实时本地粗略推断,并可以使用云端进行增强分析。  

MRAM 的速度有利于在边缘设备中实现机器学习,例如企业资源计划 (ERP) 系统、制造执行系统 (MES)、监督控制和数据采集 (SCADA) 系统等。在这些系统中可对数据进行分析,确定中间模式,并与相邻域共享。边缘架构需要快速处理能力和持久性存储器。   设计人员还可以将 MRAM 应用于射频识别 (RFID) 非常有用的医疗保健设备中。低功耗加上抗辐射性能让 MRAM 适用于医院环境。医院中的 RFID 标签有多种用途,包括库存管理、患者护理和安全、医疗设备识别,以及耗材的识别和监控。  

高性能串行 MRAM 存储器

在包括工业控制和自动化、医疗设备、可穿戴设备、网络系统、仓储/RAID、汽车和机器人在内的边缘计算系统中,设计人员都可以使用 Renesas 的 M30082040054X0IWAY(图 4)。该产品提供的容量密度范围从 4 Mb 到 16 Mb。Renesas 的 MRAM 技术类似于具有 SRAM 兼容读/写时序的闪存技术。数据始终是非易失性的,具有 1016 次写入循环的耐久性和 85°C 下超过 20 年的保留能力。   M30082040054X0IWAY 配备串行外设接口 (SPI),因而无需软件设备驱动程序。SPI 是一种同步串行接口,采用单独的数据和时钟线来帮助保持主机和从机的完美同步。时钟可准确告知接收器何时对数据线上的位进行采样。这可以是时钟信号的上升沿(从低到高)或下降沿(从高到低)或在两个沿同时进行。  

M30082040054X0IWAY 支持芯片内执行 (XIP),可以完成一系列读写指令,而不必为每条指令单独加载读或写命令。因此,XIP 模式可节省命令开销并减少随机读写访问时间。   M30082040054X0IWAY 提供基于硬件和软件的数据保护方案。硬件保护通过 WP# 引脚提供。软件保护由状态寄存器中的配置位控制。

两种方案均禁止写入寄存器和存储器阵列。该器件具有一个独立于主存储器阵列的 256 字节增强存储阵列。此阵列可由用户进行编程,并且可以进行写保护以防意外写入。   为了进一步满足低功耗应用,M30082040054X0IWAY 提供了两种低功耗状态:深度省电和休眠。当器件处于这两种低功耗状态的任一种时,数据都不会丢失。此外,器件还会保留所有配置。   该器件采用小巧的 8 焊盘 DFN (WSON) 和 8 引脚 SOIC 封装。这些封装与类似的低功耗易失性和非易失性产品兼容。它提供工业(-40°C 至 85°C)和扩展工业工作温度范围(-40°C 至 105°C)选择。  

使用 MRAM

与其他存储器技术相比,MRAM 可以显著降低总能耗。但是,节能量可能会因特定应用设计的使用模式而异。与其他非易失性存储器一样,写入电流远高于读取或待机电流。因此,在功耗关键型应用中,特别是在需要频繁写入存储器的设计中,需要将写入时间降到最少。与其他非易失性存储器选择(如 EEPROM 或闪存)相比,MRAM 较短的写入时间可以缓解这种担忧,并能降低能耗。   若采用电源选通系统架构并尽可能地将存储器置于待机状态,MRAM 就可以实现额外的节能。MRAM 的上电至写入时间更快,因此能比其他非易失性存储器更频繁地进入待机状态。MRAM 在待机状态下的零漏电对于这方面也有所帮助。请注意,采用电源选通技术时,通常需要使用更大的去耦电容器来支持上电能量需求。  

MRAM 评估板

为了帮助设计人员着手使用 M30082040054X0IWAY,Renesas 提供了 M3016-EVK 评估套件。该套件包含 16 Mb MRAM,能够让用户使用流行的 Arduino 板开发交互式硬件解决方案(图 5)。该即插即用套件具有 Arduino 主机板并配套可与 PC 计算机 USB 接口通信的终端仿真器软件。该评估板通过 UNO R3 针座安装在 Arduino UNO 主机板的顶部。所提供的测试程序能够让用户快速评估 MRAM 器件的功能。  

结语

在利用诸如 DRAM、SRAM、闪存和 EEPROM 之类常规存储器技术设计边缘计算设备时,需要进行各种取舍,因而会限制性能。对于边缘计算,设计人员可以考虑最近推出的 MRAM,它们提供了真正的随机访问能力,并允许在存储器中进行随机读写。   如上所述,MRAM 满足了边缘计算设计人员对存储器的需求:器件必须能存储和检索数据而不会产生较大延迟;待机时零漏电以降低功耗;能够承受 1016 次的写入循环,并在 85°C 下保留数据 20 年以上。 

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