Renesas Electronics Corporation hat Schaltungstechnologien für einen Testchip mit eingebettetem magnetoresistivem Direktzugriffsspeicher mit Spin-Transfer-Torque (STT-MRAM, nachfolgend MRAM) entwickelt, der schnelle Lese- und Schreibvorgänge ermöglicht und in einem 22-nm-Prozess gefertigt wird. Der Testchip enthält ein 32-Megabit (Mbit) eingebettetes MRAM-Speicherzellen-Array und erreicht einen zufälligen Lesezugriff von 5,9 Nanosekunden (ns) bei einer maximalen Sperrschichttemperatur von 150°C und einen Schreibdurchsatz von 5,8 Megabyte pro Sekunde (MB/s). Renesas präsentierte diese Ergebnisse am 16. Juni auf dem 2022 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits, das vom 12. bis 17. Juni in Hawaii stattfand.

Im Zuge des Fortschritts der IoT- und KI-Technologien wird erwartet, dass die in Endgeräten verwendeten Mikrocontroller-Einheiten (MCUs) eine höhere Leistung als je zuvor erbringen und daher mit feineren Prozessknoten gefertigt werden müssen. MRAM, der in BEOL (Anmerkung 1) hergestellt wird, ist im Vergleich zu Flash-Speicher, der in FEOL (Anmerkung 2) hergestellt wird, für Prozesse unter 22 nm von Vorteil, da er mit der bestehenden CMOS-Logikprozesstechnologie kompatibel ist und weniger zusätzliche Maskenschichten erfordert. Allerdings hat MRAM eine geringere Lesespanne als Flash-Speicher, was sich auf die Lesegeschwindigkeit auswirkt.

Eine große Lücke zwischen der CPU-Betriebsfrequenz und der Lesefrequenz des nichtflüchtigen Speichers ist ebenfalls eine Herausforderung, da sie die Leistung der MCU beeinträchtigen kann. MRAM kann auch eine kürzere Schreibzeit als Flash-Speicher erreichen, da vor dem Schreibvorgang kein Löschvorgang erforderlich ist. Es sind jedoch weitere Geschwindigkeitsverbesserungen erforderlich, um die Systemausfallzeiten für Over-the-Air (OTA)-Updates, die für Endgeräte erforderlich sind, zu verkürzen und die Kosten für die Hersteller von Endprodukten beim Schreiben von Steuercodes für MCUs zu senken.

1. Schnelle Lesetechnologie mit hochpräzisen Leseverstärkerschaltungen: MRAM verwendet Speicherzellen mit magnetischen Tunnelübergängen (MTJ), bei denen die Zustände mit hohem und niedrigem Widerstand den Datenwerten 1 bzw. 0 entsprechen, um Informationen zu speichern. Ein differentieller Leseverstärker unterscheidet zwischen den beiden Zuständen, indem er die Spannungsdifferenz in der Entladegeschwindigkeit zwischen dem Strom der Speicherzelle und dem Referenzstrom liest. Da jedoch die Stromdifferenz zwischen den Zuständen 1 und 0 bei MRAM kleiner ist als bei Flash-Speicher, ist die vom Leseverstärker gelesene Spannungsdifferenz geringer.

Selbst wenn die Entladezeit auf größere Spannungsdifferenzen zwischen den Differenzeingangsknoten des Leseverstärkers ausgedehnt wird, sind beide Eingangsknoten anfällig dafür, vollständig entladen zu werden, bevor eine notwendige Spannungsdifferenz sichergestellt ist. Dieses Problem ist bei hohen Temperaturen besonders akut. Um dieses Problem zu lösen, hat Renesas eine neue Technologie eingeführt, die eine kapazitive Kopplung nutzt, um den Spannungspegel der differentiellen Eingangsknoten zu erhöhen. Dadurch kann der Differenzverstärker eine Spannungsdifferenz auch dann erfassen, wenn die Stromdifferenz zwischen den Speicherzellen gering ist, was einen hochpräzisen und schnellen Lesebetrieb ermöglicht.

2. Schnelle Schreibtechnologie mit gleichzeitiger Optimierung der Bitanzahl beim Schreiben und verkürzter Modusübergangszeit: In Anlehnung an die im Dezember 2021 angekündigten Hochgeschwindigkeits-Schreibtechnologien für eingebettete STT-MRAM erreicht die neue Technologie eine noch höhere Geschwindigkeit durch Verkürzung der Modusübergangszeit während des Schreibvorgangs. Diese Technologie teilt die Bereiche auf, an die die Schreibspannung angelegt wird, und legt durch Eingabe der Schreibadresse vor dem Aufbau der Schreibspannung selektiv nur an den erforderlichen Bereich Spannung an. Diese Methode reduziert die parasitäre kapazitive Last in dem Bereich, an den die Spannung während des Schreibvorgangs angelegt wird, und verkürzt so die Spannungsaufbauzeit.

Infolgedessen verringert sich die Zeit für den Übergang in den Schreibmodus um etwa 30%, was den Schreibvorgang beschleunigt. Renesas entwickelt weiterhin Technologien, die auf die Anwendung der Embedded MRAM-Technologie in MCU-Produkten abzielen. Diese neuen Technologien haben das Potenzial, die Speicherzugriffsgeschwindigkeit, die bei MRAM derzeit eine Herausforderung darstellt, drastisch auf über 100 MHz zu erhöhen und damit leistungsfähigere MCUs mit eingebettetem MRAM zu ermöglichen.

Die schnellere Schreibgeschwindigkeit wird dazu beitragen, dass der Code effizienter in die Endgeräte geschrieben werden kann. Renesas ist bestrebt, die Kapazität, Geschwindigkeit und Energieeffizienz von MCUs weiter zu erhöhen, um eine Reihe neuer Anwendungen zu ermöglichen.