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eMRAM 用于先进工艺节点中的低功耗 SoC
Synopsys 高级技术营销经理 Mingchi Liu
简介
在提高性能的同时降低功耗是先进工艺节点面临的一大挑战。随着工艺尺寸缩小，动态和漏电功耗标度也不同。然而，工艺、IP 和系统级实现中的创新正在解决这一挑战。例如，IP 设计人员正在开发具有长沟道、低 VDDmin 和读/写辅助的新型基础 IP，用于 SRAM、反向偏压和不同的低功耗模式，以降低功耗。最新的创新举措是采用嵌入式 MRAM (eMRAM) 来降低片上系统 (SoC) 和系统的功耗。本文介绍了如何利用 eMRAM 大幅降低针对 22nm 和更小工艺尺寸的 SoC 设计的功耗。
什么是 eMRAM？
嵌入式磁阻式随机存取存储器 (eMRAM) 不同于传统的嵌入式存储器（如 SRAM 和 Flash），后者使用电荷来存储信息。eMRAM 使用其旋转来存储数据（即“自旋电子”）。eMRAM 的自旋性核心由许多称为“磁隧道连接 (MTJ)”的铁磁和非磁材料制成。MTJ 在未通电时可以几乎永久保持其极化，使 eMRAM 成为一种非易失性存储器 (NVM)，就如闪存、FeRAM 和 EEPROM。
对于 20 世纪 60 年代和 20 世纪 70 年代的系统设计师来说，标准思维方式是“在寻求易失性存储器去满足性能和密度的要求，而放弃功耗”，以及“在寻求非易失性存储器来实现低功耗的要求，但把密度和性能置之一边”。然而，在当今具有如此多样性的存储器格局，让如此严格的区分不再可能。任何给定设计的“理想存储器”都可以结合多种技术的优势。下一代 eMRAM 便是这样一个候选方案，其基于自旋扭矩技术（称为 STT-MRAM）。eMRAM 具有结合闪存的非易失性、DRAM 的密度、SRAM 的速度以及任何其他现有存储器技术中都不具有的写入耐久性。
为何为 SoC 选择嵌入式 MRAM？
先进节点 SoC 设计中使用了一些存储器技术，包括 SRAM、eFlash、eMRAM、PCRAM 和 ReRAM（表 1）。随着摩尔定律的继续推进，eFlash 在先进节点上的开发正在放缓，目前停留在 28nm。利用闪存的唯一方式是在 22nm 及以下进行晶粒堆叠，或系统级封装 (SiP)。相较于 PCRAM 和 ReRAM，就替代 SRAM 和闪存而言，eMRAM 是更有前景的候选方案。相较于 SRAM，eMRAM 具有更小的面积、更低的动态功耗、更低的泄漏、更高的容量、更好的辐射抗扰性、更低的成本，并且具有非易失性。相较于 PCRAM 和 ReRAM 相比，eMRAM 具有更简单的制造工艺、更长的耐久性和生产良率。与外部闪存相比，eMRAM 在系统级别上外形小巧、性能更高、电池寿命更长、具有与 SRAM 类似的界面、用户体验更好、系统设计周转时间 (TAT) 更短、良率更高、产品成本可预测、供应稳定，从而可避免因闪存市场的特性而带来的闪存短缺。与嵌入式闪存相比，eMRAM 可使设计与从 22nm 到 FinFET 流程的先进节点中的摩尔定律保持一致。
|
SRAM |
DRAM |
闪存 (NAND) |
PCRAM |
RRAM |
MRAM (STT-MRAM) |
架构 |
平面 |
离散 3D |
单片 3D |
平面 |
平面 |
平面 |
设备 |
6T |
1T/1C |
1T |
1T ǁ 1BJT/1R |
1T ǁ 1BJT/1R |
1T/1MTJ |
形体尺寸 |
7 纳米 |
18 纳米 |
19 纳米 |
20 纳米 |
27 纳米 |
40 纳米 |
单元尺寸 |
40-60 平方英尺 |
6-8 平方英尺 |
4 平方英尺 |
4 平方英尺 |
4-6 平方英尺 |
8-14 平方英尺 |
容量 |
16Mb |
16Gb/Die |
1Tb/Die |
16Gb |
16Gb |
1Gb |
耐久性 |
∞ |
1016 |
105 |
109 |
109 |
1016 |
写入能量 |
8pW/bit/Mhz |
100fJ/bit |
10fJ/bit |
5pJ/bit |
5pJ/bit |
5pJ/bit |
漏电功耗 |
|
|
~0.8 倍 |
0.01 倍 |
|
0.01 倍 |
成本 |
1 倍 |
0.1-1 倍 |
0.01 倍 |
0.1 倍 |
0.1 倍 |
1 倍 |
来源：Synopsys
表 1：标准存储器类型的比较。
eMRAM 优势
面积较小，功耗较低
SRAM 的位单元由 6 个晶体管组成，而 eMRAM 的位单元只需要 1 个晶体管，因而面积大幅缩小。由于现代 SoC 设计需要更多内存，因此更小的面积更为重要。SRAM 面积的百分比可占到 SoC 的 30% 至 45%。在边框缓冲应用的情况下，该面积可增长高达 50%。对于 AI（人工智能）的应用，它可高达晶粒的 70%。AI 应用在使用 eMRAM 替代 SRAM 时，可以将内存所需面积减少25%。eMRAM 非常适合有大内存需求的应用。
图 1：比较 SRAM 和 eMRAM 位单元架构
当 SRAM 中有写入操作时，共有 6 个激活的晶体管（图 1）。如果现有的位单元值与写入内容相反，则最多翻转四个晶体管。必须打开两个传送门，以允许数据从位线内容传入锁存器。另一方面，eMRAM 只需要一个晶体管即可进行读写操作，从而降低动态功耗。另外，SRAM 中的漏电功率在阵列和外围逻辑中均可发生，例如行/列解码器、字线驱动器、灵敏放大器、读/写辅助电路、电平变换器、功耗门控单元、自我时序路径等。对于 eMRAM，阵列处于关断状态，因此任何漏电只会发生在外围逻辑中。无需供电即可维持 MRAM 中的内容。
这对数字设计师来说是一个好消息。他们不再需要采取传统方法来降低待机功耗，例如使用深睡眠和阵列后偏置。SRAM 需要几个步骤进入和退出其保持（深度睡眠）模式，如果睡眠时间不够长，会导致响应时间更长，功耗更高。SRAM 阵列偏置还需要额外的电源，这还会增加 SoC 设计的成本和复杂性。利用 eMRAM 阵列，设计人员有望实现更低的漏电。
工艺成熟度和市场接受度
eMRAM 可从许多代工厂获得，因为在给定的工艺技术中，它的开发比 RRAM 或 PCRAM 要简单得多。例如，如图 2 所示，在线路后端 (BEOL) 工艺中，对于 eMRAM，只需要三个额外的掩膜。线路前端 (FEOL) 工艺与我们目前的流程相同，这使得 IP 开发更加容易。另外，目前还可提供独立的非嵌入式 MRAM 芯片。eMRAM 的市场接受度远远领先于 RRAM。
图 2：STT-MRAM 的 MTJ 单元。 来源：Lam Research
降低系统功耗
eMRAM 的非易失性特性对于低功耗设计或电池供电物联网应用是理想之选。如果休眠或断电后需要重新使用数据，CPU 首先需要将 SRAM 数据写入到闪存中。恢复通电时，CPU 再次读取数据。使用闪存需要两倍的操作时间，来沿着路径以及 IO 的访问，对经过的电阻和电容进行充电和放电。例如，当从 0 到 1 的 RC 充电时，大约 50% 的能量被转换，其余通过热消散。但是，当从 1 到 0 的 RC 放电时，100% 的能量被完全浪费。通过利用 eMRAM，存储器不需要经历充电/放电过程，从而降低系统级功耗（图 3）。
图 3：不同组合的系统功耗比较。来源：Qualcomm & TDK，IEDM，2015 年
更大容量
eMRAM 的最大容量可达 1Gb，而 SRAM 的最大容量通常约为单个模块 2Mb。使用 eMRAM 时，单芯片可以使用更多存储容量，或者也可以使用跟 SRAM 容量一样的 eMRAM，来实现更小的芯片面积。
辐射抗扰性
SRAM 位单元易受 α 粒子攻击。与其逻辑相比，SRAM 位单元内部的电容非常小。因此，由辐射引起的电荷沉积更低，可能会改变存储在位单元中的值，从而导致软错误。eMRAM 使用 MTJ（图 2）来存储数据，并且具有天然抗辐射能力。考虑到围绕 MRAM 位单元的外设电路，MRAM 的总体抗辐射性要高得多。
外形尺寸更小，消费者体验更好
智能手机、无线音频耳塞和可穿戴设备等应用需要更小的外形尺寸，以便为更时尚的设计提供灵活性或为更大的电池节省空间。使用闪存 SiP 时，芯片高度不能降低。或者，不使用 SiP，PCB 尺寸会更大。使用 eMRAM，设计师可以使用 flip chip 封装。Flip chip 封装在所有封装选择中高度最小，所以具有低 IR 的特性，从而提高了性能，这对于 SoC 设计极为重要。对于需要频繁固件更新的应用，eMRAM 可以存储操作过程中生成的引导代码和中间数据，如 GPS 卫星地图、来自发动机的传感器数据等。存储此数据可提供更流畅的消费体验。eMRAM 性能远高于闪存，可以实现更高的芯片性能或更快的远程固件更新。
易于集成
eMRAM 利用 SRAM 接口，无需 SPI 接口。使用 eMRAM 不需要新的总线协议。数字设计师可以轻松地集成 eMRAM 模块，就像图 4 所示的常规 SRAM。
图 4：将带有片上 SRAM 的 SoC 和外部闪存转换为带有 eMRAM 的非易失性 SoC
汽车微控制器单元 (MCU) 需要嵌入式存储器，而典型的 MCU 已经使用嵌入式闪存。但是，嵌入式存储器目前在 22nm 及以下的应用中尚未推出，这使 MCU 设计师无法充分利用较小尺寸工艺的优势。eMRAM 是 MCU 设计师寻求迁移到先进节点的完美解决方案。它很稳定，可满足汽车温度等级要求。
DesignWare 嵌入式 MRAM 编译器 IP
MRAM 已经进入嵌入式领域，正在取代 SRAM 的多样化配置。Synopsys 提供 eMRAM 编译器 IP，而不是单纯硬核。使用 eMRAM 编译器，可在几分钟内为设计师提供 eMRAM 硬核的即时编译。通过从编译器提供 eMRAM 实例的完整前端 view，设计师可以立即评估和启动设计。这大大缩短了周转时间，并加快了上市时间。
eMRAM 的 STAR Memory System 测试、修复和诊断
Synopsys TestMAX STAR Memory System® (SMS) 解决方案测试、修复和诊断片上存储器（单/双/两/多端口 RAM/寄存器/ROM，包括 CPU 和 GPU 缓存、CAM、eflash）和片外存储器(DDR/LPDDR/HBM)。通过与领先的代工厂合作，Synopsys 增强了 SMS，来支持 eMRAM 架构特有的算法，并具有调整/校准功能。Synopsys 还提供经过 ISO 26262 认证的 STAR ECC 解决方案，可用于提高 eMRAM 的生产良率，以及提高应用领域（如汽车、军事和航空航天）存储器的现场可靠性。eMRAM 的 SMS 解决方案已经过硅验证，具有高速测试、使用 march 算法的高测试覆盖率以及通过 JTAG 的可编程性等功能。STAR Memory System 的 eMRAM 算法，针对的是嵌入式 MRAM 和其他类型的非易失性存储器，在生产和现场测试期间的故障机制。支持多种背景模式和复杂寻址模式，可加速自动测试设备 (ATE) 矢量生成，从而为 eMRAM 提供最高的测试覆盖率，使制造良率最大化，并提高 SoC 的可靠性。此外，STAR Memory System 中的增强设计加速功能可实现嵌入式 MRAM 的自动执行测试和修复逻辑的规划、生成、嵌入和验证步骤，从而减少整体集成工作量。
STAR Memory System ECC
虽然 eMRAM 技术具有足够的耐久性和读/写延迟，但易受工艺变化的影响可能会导致可靠性问题。MTJ 位单元的缺点之一是读取窗口小，即，高电阻状态和低电阻状态之间的差异通常就是 2-3 倍。在 MTJ 位单元的灵敏放大值上，会比 SRAM 位单元困难得多。eMRAM 切换是一个随机过程。这意味着，减少写电流可提高能效，但会增加写错误的可能性，并降低良率。
为了达到可接受的良率并保持现场可靠性，设计人员需要实施复杂的纠错码 (ECC) 解决方案。ECC 逻辑表明，要达到一定的芯片故障率 (CFR)，代工厂必须达到的存储器位故障率 (BER) 在更大的阵列尺寸下变得越来越严格。假设对于 64Mb 存储器阵列大小存在随机缺陷，针对最严格的汽车 ASIL-D 级别（相当于 SoC 级别 FIT 率为 10）的应用至少需要一个 DECTED（双重错误纠正，三重错误检测）级别的 ECC，如今，MTJ 位单元的代工厂所能达到的 BER 水平。图 5 显示，64Mb eMRAM 模块如果要达到 99% 的良率，在没有 ECC 的情况下，代工厂位单元 D0 需要达到 0.1ppm 以下。在添加 1bit 或 2bit 纠错 ECC 时，位单元 D0 可分别放宽到1ppm 或 10ppm。STAR Memory System ECC 为单端口和多端口 eMRAM 存储器自动生成 ECC Verilog 代码、测试平台和脚本。这样可以大大提高 eMRAM 的良率。
图 5：为了在无 ECC 时使 64Mb eMRAM 良率达到 99%（蓝线），代工厂位单元 D0 需要达到 0.1ppm 以下。但是，通过添加 1bit 或 2bit ECC，位单元 D0 能够分别放宽到 1ppm 或 10ppm。
总结
对于那些需要耐久性和小面积，低功耗 SoC，eMRAM 是具有前景的存储器技术。离散 MRAM 已经可用，设计师正在利用嵌入式 MRAM 提高 PPA 效率。由于任意两个 SoC 的配置要求都各有不同，因此 Synopsys 提供 eMRAM 编译器 IP，可用于生成各种配置，以满足您的特定设计要求。
如需更多信息，请访问：DesignWare 基础 IP