MRAM技术引领MCU存储革新，突破嵌入式闪存制程极限

随着嵌入式闪存（eFlash）在28纳米工艺节点达到物理极限，这制约了微控制器（MCU）制程的进一步微缩，各大厂商纷纷转向新型存储技术，包括磁存储器（如MRAM/STT-MRAM/SOT-MRAM）、相变存储器（PCM/PCRAM）、阻变存储器（RRAM/ReRAM）以及铁电存储器（FRAM/FeRAM）。

其中，MRAM一直备受行业青睐，华为、台积电、三星、英特尔、新思科技等科技巨头都曾布局MRAM领域。巧合的是，两年前来自Coughlin Associates的Tom Coughlin和来自Objective Analysis的Jim Handy在一份报告中高度赞扬MRAM并展望其广阔前景，他们认为MRAM类型多样，应用场景广泛，综合性能优势显著。

早在2018年，业界就流传一种说法：“MRAM融入MCU，28纳米以下将无需闪存？”近年来，MRAM不负众望，厂商接连推出集成MRAM的MCU产品。

MCU的存储革命

对MCU而言，嵌入式闪存（eFlash）是一种常见的内置非易失性存储器（NVM）。随着片上内存容量增长及eFlash在28纳米以下遭遇瓶颈，这一存储格局正迅速演变。

为持续推动MCU制程进步，同时提升NVM数据传输速度，主要厂商选择不同路径突破MCU技术限制。

MCU设计框图

英飞凌（Infineon）选用阻变存储器RRAM，推出了基于台积电28纳米工艺的AURIX TC4x系列MCU。

意法半导体（ST）采用相变存储器PCM，发布了基于三星28纳米FD-SOI ePCM工艺的xMemory Stellar系列MCU，并计划升级至18纳米FD-SOI工艺。

德州仪器（TI）则青睐铁电存储器FRAM，其MSP430系列已包含FRAM相关产品。

瑞萨（Renasas）和恩智浦（NXP）选择了磁存储器MRAM，NXP推出了全球首款采用16纳米FinFET+MRAM的区域控制器MCU S32K5，瑞萨则基于台积电22纳米ULL工艺推出了集成MRAM的RA8P1、RA8T2、RA8M2、RA8D2等型号。

这些存储技术并无绝对优劣，因为每种新型存储都有其独特优势，不存在完美的“六边形战士”。

然而，从磁性软盘、磁带时代起，磁存储已深入日常生活，MRAM更像一位“多面手”，具备广泛适用性，因而备受期待。

看懂eMRAM

MRAM性能卓越：其速度与面积介于SRAM和DRAM之间，同时具备无限读写次数、快速写入、低功耗、小面积、低泄漏、高容量、抗辐射及高逻辑集成度等优点。目前MRAM实验室耐温范围达-40℃~150℃，覆盖车规芯片的-40℃~120℃要求。

从原理看，与传统RAM不同，MRAM不依赖电荷或电流存储数据，而是利用自旋电子特性，由铁磁性和非磁性材料构成磁隧道结（MTJ）。即使断电，MTJ也能保持极化状态，保留存储数据。如今，MTJ存在多种结构，这也增加了MRAM的复杂性。

不同MTJ类型，图源丨中国科学院上海微系统与信息技术研究所

MRAM发展分为三代：第一代为磁场驱动型MRAM；第二代为自旋转移扭矩MRAM（STT-RAM），通过垂直电流翻转磁矩；第三代包括两种技术，即通过在重金属层通入面内电流翻转磁矩的自旋轨道矩MRAM（SOT-MRAM），以及通过电压改变磁各向异性翻转磁矩的压控磁各向异性MRAM（VCMA-MRAM或MeRAM）。

目前第二代STT-MRAM占主导地位，其在速度、面积、写入次数和功耗方面实现较好平衡。最普遍的STT-MRAM存储单元采用1T-1MTJ（单晶体管单磁隧道结）结构，具有面积小、成本低和与CMOS工艺兼容性好等优点。

近期，台积电攻克了第三代SOT-MRAM产业化的关键难题：尽管SOT-MRAM理论优势明显，但产业化需解决自旋轨道耦合材料的热稳定性问题。研究团队提出突破性方案：在钨层中插入超薄钴层，形成复合结构。

将嵌入式磁存储器（eMRAM）集成到MCU中具有多重优势。

根据新思科技介绍，与PCRAM和ReRAM相比，eMRAM温度敏感性更低，提供更高的生产良率和更长的耐久性（支持多年多次读写周期数据保留）。它支持字级擦除和编程，成为节能的非易失性存储解决方案。

尽管eMRAM制造成本高于ReRAM，但其更高可靠性和更低可变性实现了面积高效和稳健设计，从而抵消了较高晶圆成本。单芯片可通过eMRAM拥有更大内存，或在相同内存下实现更小尺寸和更低能耗。eMRAM已在22纳米领先代工厂量产，并正向FinFET节点过渡。

此外，MRAM在极端环境下仍保持出色可靠性，并展现优异的功耗、性能与面积（PPA）综合指标。MRAM最初为航空航天严苛需求研发，通过可调磁层设计最大化存储密度。凭借卓越功耗控制和性能，MRAM成为追求高可靠性和数据完整性应用的理想选择。

在现代交通工具中，MRAM应用突出，如支持空中下载（OTA）软件更新的智能汽车。同时，MRAM有助于降低高级MCU和AI加速器能耗而不牺牲性能。

统一的eMRAM解决方案是先进MCU的解决方案

当然，MRAM也存在挑战，如真实器件材料体系复杂、开关比低、需与CMOS工艺完全匹配等，以及在动态功耗、能量延迟效率和可靠性方面的瓶颈。

此外，MRAM对强磁场敏感，这限制了其应用范围。在特定环境下，可能需通过物理隔离或屏蔽技术降低风险。

尽管eMRAM优势吸引人，设计人员应采用可靠、经过硅验证的解决方案，并无缝集成内置自检（BIST）和错误代码纠正（ECC）支持。

MCU设计人员集成eMRAM到SoC时需考虑其磁抗扰度，包括测试MRAM灵敏度水平（以高斯或奥斯特报告），并告知客户此规格。芯片附近任何可能磁化的元件（如电感线圈）会影响eMRAM性能，因此系统设计人员必须保持这些元件与eMRAM足够距离以防止磁场干扰。

瑞萨和恩智浦疯狂加码

恩智浦近年来对MCU制程迭代投入深厚，随着软件定义汽车（SDV）盛行，市场对区域控制器需求增长。今年3月恩智浦推出的S32K5是应用MRAM的典型案例。

S32K5配置强大，兼具高性能和低功耗，可集成多个ECU到单一系统或模块，优化成本与性能。其亮点有三：第一，强大异构计算能力，通过单核、多核或锁步内核配置的Cortex-M7@200MHz和Cortex R52@800MHz内核、DSP、eIQ NPU，加速AI/ML，并通过低功耗子系统延长电池寿命，16FF技术和高效设计实现被动冷却；第二，创新“核心到引脚”资源隔离，将系统资源分配到隔离环境，安全层面问题时可重启核，适用于内存、TMA通道、外设及IO；第三，支持最高2.5Gbps的10BaseT1S以太网加速和CAN加速，大幅增强S32K5的确定性和时间敏感网络（TSN）。

S32K5为首个16纳米FinFET+MRAM汽车MCU，MRAM容量高达41MB。对于16纳米FinFET，恩智浦半导体资深副总裁兼汽车微控制器总经理Manuel Alves认为这是当前区域控制器的理想选择，因为集中化趋势对算力和存储需求巨大；对于MRAM，他认为这种新型存储介质具备独特优势：一是写入和编程速度极快，比闪存快10倍，可快速运行；二是耐久性强，支持100万次写入，不仅存储代码，还能用于数据存储，灵活性高，便于数据收集和跨区域存储。

S32K5作为区域控制器，适用于两种场景：一是集成所有实时控制功能，中央处理器仅负责应用运行，这是区域控制器的极端情况；二是中央计算集成整体功能，具备强大实时计算能力，区域控制器轻量化，成为连接终端节点与中央计算的接口，即区域聚合器或网关。

与恩智浦不同，瑞萨更侧重边缘AI。不仅采用MRAM，还通过堆料和堆算力，使MCU拥有极致性能和跑分。

今年6月，瑞萨在官网悄然上线“全球最强MCU”RA8P1系列。其采用22纳米ULL工艺制造，搭载0.5/1MB MRAM（可选4/8MB闪存），相比之下，RT1170采用28纳米FD-SOI工艺。据瑞萨介绍，相比闪存，MRAM具备更快写入速度、更高耐用性和更强数据保持能力。

自2023年推出全球首款Cortex-M85 MCU后，这款MCU不仅集成最强Arm M核1GHz Cortex-M85，还融合Ethos-U55 NPU，将堆料推向极致。

瑞萨同时推出了RA8D2，这款产品也搭载了MRAM。

今年10月，瑞萨快速迭代产品，推出1GHz RA8T2 Cortex-M85微控制器，集成MRAM与EtherCAT赋能工业电机控制。该产品集成1MB MRAM、2MB带ECC校验的SRAM，同时为双内核分别配置256KB（M85）和128KB（M33）紧耦合内存（TCM），并支持SiP封装扩展至8MB外部闪存。

紧接着，瑞萨电子超高算力RA8系列新增两款MCU产品，搭载1GHz双核7300 CoreMark跑分及嵌入式MRAM技术——RA8M2和RA8D2微控制器（MCU）。

瑞萨表示，RA8M2和RA8D2搭载嵌入式MRAM，相较闪存技术具备多重优势：高耐用性与更强数据保持能力、更快写入速度、无需擦除操作、支持字节寻址，同时具备更低漏电流和制造成本。对于要求更高应用，还提供单个封装中带4或8MB外部闪存的SIP选项。此外，两款MCU均包含千兆以太网接口和双端口TSN交换机，满足工业网络应用需求。

可以说，瑞萨近期不仅专注M85内核，还大力推进MRAM应用，目前RA8系列已几乎覆盖各个领域。

写在最后

随着MRAM融入MCU，其迭代速度加快。磁存储作为人类长期使用的技术，正持续发展，台积电也在推进第三代SOT-MRAM产业化进程。当然，MRAM并非MCU的唯一选项，面对不同应用和场景，各种存储技术各有特性。

参考文献

[1]新思科技：https://www.synopsys.com/articles/future-nvm-memories.html

[2]新思科技：https://www.synopsys.com/blogs/chip-design/what-is-emram.html

[3]新思科技：https://mp.weixin.qq.com/s/j2Ps_mX7tAx2rgIUOV-3Zw

[4]https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEwi8zPKBzbeQAxVMsVYBHYJDAuE4MhAWegQIJxAB&url=https%3A%2F%2Fwww.everspin.com%2Ffile%2F157512%2Fdownload&usg=AOvVaw2K7ISczLTp5Chh1iEZHOUy&opi=89978449

[5]hotchips：https://hc33.hotchips.org/assets/program/posters/HC2021.Antaios.BarryHoberman.vFinal01.pdf

[6]半导体行业观察：https://mp.weixin.qq.com/s/vXwt-I1L_PPD4EeQmQUUkw

[7]NXP：https://www.nxp.com/docs/en/brochure/BRMRAMTECHGUIDE.pdf

[8]https://www.mram-info.com/everspin-raised-29-million-global-foundries-western-digital-and-others

[9]Cai H, Kang W, Wang Y, et al. High performance MRAM with spin-transfer-torque and voltage-controlled magnetic anisotropy effects[J]. Applied Sciences, 2017, 7(9): 929.

[10]Na T, Kang S H, Jung S O. STT-MRAM sensing: a review[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2020, 68(1): 12-18.

[11]strongerHuang：https://mp.weixin.qq.com/s/N2IRUBrdL4ALoEpEwR2vjQ