降低功耗|如何使用 MRAM 提高边缘计算的可靠性，减少延迟并降低功耗边缘|存储器|延迟|sram|可靠性

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）。

文章插图
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。