如何使用 MRAM 提高边缘计算的可靠性，减少延迟并降低功耗

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。

图 1：MRAM 具有闪存和 EEPROM 一样的非易失性和与 SRAM 兼容的读/写时序。（图片来源：Renesas Electronics）

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）。

图 2：STT-MRAM 的基本单元由一个 MTJ 和一个存取晶体管组成。（图片来源：Avalanche Technology）

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。

图 3：MRAM 的速度、耐久性和数据保留能力有助于满足物联网节点的存储器要求。（图片来源：Avalanche Technology）

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。

图 4：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。（图片来源：Renesas）

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。

图 5：M3016-EVK 评估套件安装在 Arduino UNO 主机板顶部，支持快速评估 MRAM 的性能。（图片来源：Renesas）

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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