Der hochgelobte MRAM geht in die MCU-Richtung

Da der integrierte Flash-Speicher (eFlash) bei 28 nm seine Grenzen erreicht hat und die Weiterentwicklung der MCU-Herstellungsprozesse einschränkt, setzen die Hersteller zunehmend auf neue Speichertechnologien, darunter Magnetwiderstandsspeicher (MRAM/STT-MRAM/SOT-MRAM), Phasenwechselspeicher (PCM/PCRAM), Widerstandsänderungsspeicher (RRAM/ReRAM) und Ferroelektrischer Speicher (FRAM/FeRAM).

Unter diesen Technologien wird MRAM von der Branche besonders geschätzt. Techriesen wie Huawei, TSMC, Samsung, Intel und Synopsys haben sich bereits mit MRAM befasst. Vor zwei Jahren lobten Tom Coughlin von Coughlin Associates und Jim Handy von Objective Analysis in einem Bericht MRAM und sahen ein großes Potenzial darin. Sie begründeten ihre Meinung damit, dass es verschiedene Arten von MRAM gibt, die in vielen Bereichen eingesetzt werden können und deutliche Vorteile bieten.

Schon 2018 ging in der Branche das Sprichwort: "Mit MRAM in MCUs, gibt es unter 28 nm noch Flash-Speicher?" In den letzten zwei Jahren hat MRAM die Erwartungen erfüllt, und Hersteller haben nacheinander MCUs mit MRAM auf den Markt gebracht.

Die Speicherrevolution bei MCUs

Für MCUs ist der integrierte Flash-Speicher (eFlash) ein häufig verwendeter nichtflüchtiger Speicher (NVM). Aufgrund der zunehmenden Speicherkapazität auf dem Chip und der technologischen Grenzen von eFlash unter 28 nm ändert sich die Speicherlandschaft rapide.

Um die Weiterentwicklung der MCU-Herstellungsprozesse zu ermöglichen und die Übertragungsgeschwindigkeit des NVM zu erhöhen, wählen die großen Hersteller verschiedene Wege, um die technologischen Grenzen zu überwinden.

Schaltplan einer MCU-Entwurf

Infineon hat sich für den Widerstandsänderungsspeicher RRAM entschieden und hat die AURIX TC4x-Serie von MCUs in TSMC's 28-nm-Technologie vorgestellt.

STMicroelectronics setzt auf den Phasenwechselspeicher PCM und hat die xMemory Stellar-Serie von MCUs in Samsung's 28-nm FD-SOI ePCM-Technologie entwickelt. Außerdem wird die Migration zur 18-nm FD-SOI-Technologie vorangetrieben.

Texas Instruments hat den Ferroelektrischen Speicher FRAM gewählt, und seine MSP430-Serie verfügt über Produkte mit FRAM.

Renesas und NXP haben sich für den Magnetwiderstandsspeicher MRAM entschieden. NXP hat den weltweit ersten Regionalcontroller 16-nm FinFET+MRAM MCU S32K5 vorgestellt, während Renesas für MRAM die RA8P1, RA8T2, RA8M2 und RA8D2 in TSMC's 22-nm ULL-Technologie entwickelt hat.

Es gibt keine eindeutige Entscheidung, welche Speichertechnologie die beste ist. Keine Speichertechnologie ist perfekt, und jede neue Speichertechnologie hat ihre eigenen Vorteile.

Seit der Zeit der Magnetplatten und Magnetbänder hat der Magnetwiderstandsspeicher bereits in unser Leben Eingang gefunden. MRAM ist wie ein "Alleskönner", der vielseitig eingesetzt werden kann, weshalb es von vielen als vielversprechend angesehen wird.

eMRAM verstehen

Wie leistungsfähig ist MRAM? Es hat eine Geschwindigkeit und Fläche, die zwischen SRAM und DRAM, zwei flüchtigen Speichertechnologien, liegt. Gleichzeitig zeichnet es sich durch unbegrenzte Lese- und Schreibzyklen, schnelle Schreibgeschwindigkeit, niedrigen Stromverbrauch, kleine Fläche, geringe Leckströme, hohe Kapazität, Strahlungsbeständigkeit und eine hohe Integrationsfähigkeit mit Logikchips aus. Derzeit kann der MRAM in Laborversuchen Temperaturen von -40 °C bis 150 °C tolerieren, was den Temperaturbereich von Automobilchips (-40 °C bis 120 °C) abdeckt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen RAM-Speichern speichert MRAM keine Daten über Ladungen oder Ströme, sondern basiert auf der Eigenschaft der Spinelektronen. Es besteht aus ferromagnetischen und nichtmagnetischen Materialien, die eine magnetische Tunnelübergangsstruktur (MTJ - Magnetic Tunnel Junction) bilden. Selbst wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, behält die MTJ ihre Polarisation bei und speichert die Daten. Derzeit gibt es verschiedene Strukturen von MTJ, was die Komplexität von MRAM ausmacht.

Verschiedene MTJ-Typen, Quelle: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinesische Akademie der Wissenschaften

MRAM wird in drei Generationen unterteilt: Die erste Generation ist der klassische MRAM, auch als magnetfeldgesteuerter MRAM bekannt. Die zweite Generation ist der STT-RAM (Spin-Transfer-Torque), bei dem der Magnetismus durch einen senkrecht zum Tunnelübergang fließenden Strom umgekehrt wird. Die dritte Generation von MRAM-Technologien besteht aus zwei Typen: Der Spin-Orbit-Torque-MRAM (SOT-MRAM), bei dem der Magnetismus durch einen in der Ebene fließenden Strom in einer Schwermetallschicht umgekehrt wird, und der spannungsgesteuerte magnetische Anisotropie-MRAM (VCMA-MRAM oder MeRAM), bei dem der Magnetismus durch die Anlegung einer Spannung verändert wird.

Derzeit dominiert die zweite Generation, der STT-MRAM. STT-MRAM bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit, Fläche, Schreibzyklen und Stromverbrauch. Die gängigste interne Anordnung von STT-MRAM-Speichern ist die 1T-1MTJ (ein Transistor, eine magnetische Tunnelübergangsstruktur), die Vorteile wie kleine Fläche, niedrige Herstellungskosten und eine gute Kompatibilität mit CMOS-Technologien bietet.

Kürzlich hat TSMC ein Schlüsselproblem bei der Massenproduktion der dritten Generation SOT-MRAM gelöst: Obwohl SOT-MRAM theoretische Vorteile bietet, muss ein technologisches Hindernis für die industrielle Anwendung überwunden werden: die thermische Stabilität der Spin-Orbit-Kopplungsmaterialien. Das Durchbruchskonzept des Forschungsteams besteht darin, eine ultradünne Kobaltlage in die Wolframlage einzufügen, um eine Kompositstruktur zu bilden.

Was sind die Vorteile der Verwendung von eMRAM (integrierter Magnetwiderstandsspeicher) in MCUs?

Laut Synopsys hat eMRAM im Vergleich zu PCRAM und ReRAM eine geringere Temperatursensitivität, bietet eine bessere Produktionsausbeute und eine höhere Haltbarkeit (Daten können über viele Jahre und zahlreiche Lese-/Schreibzyklen aufbewahrt werden). Es ermöglicht das Löschen und Programmieren auf Wortebene, was es zu einer energiesparenden NVM-Lösung macht.

Obwohl die Herstellungskosten von eMRAM höher sind als die von ReRAM, führt die höhere Zuverlässigkeit und geringere Variabilität zu einer flächensparenden und robusten Design, was die höheren Waferkosten kompensiert. Ein einzelner Chip kann dank eMRAM mehr Speicherplatz haben, oder ein Design mit eMRAM kann bei gleicher Speicherkapazität kleiner und energiesparender sein. eMRAM wird bereits in führenden 22-nm-Fabriken produziert und wird nun auf FinFET-Knoten umgestellt.

Darüber hinaus behält MRAM in extremen Umgebungen eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit bei und zeigt hervorragende Kennwerte in Bezug auf Stromverbrauch, Leistung und Fläche (PPA). MRAM wurde ursprünglich für die strengen Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt und ermöglicht eine maximale Speicherdichte durch eine einstellbare Magnetlage. Dank seiner hervorragenden Stromverbrauchskontrolle und Leistung ist MRAM die ideale Wahl für Anwendungen, die höchste Zuverlässigkeit und Datenintegrität erfordern.

In modernen Verkehrsmitteln ist die Anwendung von MRAM besonders ausgeprägt, beispielsweise in intelligenten Autos, die Over-the-Air (OTA)-Softwareupdates unterstützen. Darüber hinaus trägt MRAM dazu bei, den Energieverbrauch von hochwertigen Mikrocontrollern (MCUs) und KI-Beschleunigern zu reduzieren, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Eine einheitliche eMRAM-Lösung ist die Lösung für fortschrittliche MCUs

Natürlich hat MRAM auch Nachteile und muss noch viele Herausforderungen bewältigen, wie die Komplexität des Materialsystems echter Bauteile, ein niedriges Schaltverhältnis und die vollständige Anpassung an die CMOS-Technologie. Darüber hinaus gibt es Engpässe in Bezug auf dynamischen Stromverbrauch, Energieverzögerungseffizienz und Zuverlässigkeit.

Darüber hinaus ist MRAM empfindlich gegenüber starken Magnetfeldern, was seine Anwendungsbereiche einschränkt. Daher müssen in bestimmten Umgebungen möglicherweise physikalische Isolierungsmaßnahmen oder Abschirmtechnologien eingesetzt werden, um potenzielle Risiken zu verringern.

Obwohl eMRAM attraktive Vorteile bietet, sollten Designer zuverlässige, siliziumverifizierte Lösungen verwenden und eine nahtlose Integration von integrierten Selbsttests (BIST) und Fehlercodekorrektur (ECC) unterstützen.

Beim Einbau von Lösungen in ein SoC müssen MCU-Designer die magnetische Störfestigkeit von eMRAM berücksichtigen, einschließlich des Tests der Empfindlichkeit von MRAM, die in Gauss (B-Feld) oder Oersted (H-Feld) angegeben wird, und die Angabe dieser Spezifikation an ihre Kunden. Alle Elemente in der Nähe des Chips, die magnetisch werden können (z. B. Induktivitätsspulen), können die Leistung von eMRAM beeinträchtigen. Daher müssen Systemdesigner sicherstellen, dass diese Elemente einen ausreichenden Abstand von eMRAM halten, um magnetische Störungen zu vermeiden.

Renesas und NXP setzen stark auf MRAM

NXP hat in den letzten Jahren eine starke Präferenz für die Weiterentwicklung der MCU-Herstellungsprozesse gezeigt, da mit der zunehmenden Popularität von Software-Defined-Vehicles (SDV) der Bedarf an Regionalcontrollern steigt. Das im März dieses Jahres von NXP vorgestellte S32K5 ist ein typisches Beispiel für die Anwendung von MRAM.

Das S32K5 verfügt über eine leistungsstarke Konfiguration, die hohe Leistung und niedrigen Stromverbrauch kombiniert. Es kann mehrere unterschiedliche ECUs in einem einzigen System oder Modul integrieren, wodurch Kosten und Leistung optimiert werden. Es gibt drei Highlights: Erstens verfügt es über eine starke heterogene Rechenleistung. Durch die Cortex-M7@200MHz- und Cortex-R52@800MHz-Kerne, DSP und eIQ NPU in Ein- oder Mehrkernkonfigurationen oder mit Lockstep-Kernen kann es nicht nur die KI/ML beschleunigen, sondern auch die Batterielebensdauer durch ein energiesparendes Subsystem verlängern und eine passive Kühlung durch 16FF-Technologie und effizientes Design ermöglichen. Zweitens bietet es eine innovative "Core-to-Pin"-Ressourcenisolierung, die die Systemressourcen in einer isolierten Umgebung anordnet. Wenn es Probleme auf der Sicherheitsebene gibt, kann der Kern neu gestartet werden. Diese Funktion gilt für den Speicher, TMA-Kanäle, Peripheriegeräte sowie Ein- und Ausgänge (IO). Drittens unterstützt es eine 10BaseT1S-Ethernet-Beschleunigung und CAN-Beschleunigung mit einer maximalen Geschwindigkeit von 2,5 Gbps, was die Deterministik und das time-sensitive Netzwerk (TSN) von SK32K5 erheblich verbessert.

Das S32K5 ist der erste Automobil-MCU mit 16-nm FinFET+MRAM und verfügt über einen MRAM-Speicher mit einer Kapazität von bis zu 41 MB. Manuel Alves, Leiter der Automobil-Mikrocontroller bei NXP Semiconductors, ist der Meinung, dass 16 nm derzeit die ideale Wahl für Regionalcontroller ist, da die Zentralkonzentrationstendenz einen hohen Bedarf an Rechenleistung und Speicherplatz erzeugt. In Bezug auf MRAM sieht er besondere Vorteile in der extrem schnellen Schreib- und Programmiergeschwindigkeit, die 10-mal schneller ist als die von Flash-Speichern, und in der hohen Haltbarkeit, die 1 Million Schreibzyklen ermöglicht. MRAM kann nicht nur Code speichern, sondern auch für die Datenspeicherung verwendet werden, was es flexibel und geeignet für die Datensammlung und die Spe