A Renesas Electronics Corporation, fornecedora de soluções avançadas de semicondutores, anunciou recentemente que desenvolveu tecnologias de circuito para um chip de teste de memória de acesso aleatório magnetorresistivo de torque de transferência de spin (STT-MRAM, doravante MRAM) integrado com operações rápidas de leitura e gravação fabricadas – usando um processo de 22 nm.
O chip de teste inclui uma matriz de células de memória MRAM incorporada de 32 megabits (Mbit) e atinge acesso de leitura aleatória de 5,9 nanossegundos (ns) a uma temperatura máxima de junção de 150° C, incluindo uma taxa de transferência de gravação de 5,8 megabytes por segundo ( MB/s).
Renesas apresentou essas conquistas em 16 de junho no Simpósio IEEE 2022 sobre Tecnologia e Circuitos VLSI, realizado entre 12 e 17 de junho no Havaí.
À medida que os avanços das tecnologias IoT e IA continuam, espera-se que as unidades microcontroladoras (MCUs) usadas em dispositivos endpoint ofereçam desempenho mais alto do que nunca e devem ser fabricadas com nós de processo mais refinados.
A MRAM fabricada em BEOL (Nota 1) é vantajosa em comparação com a memória flash fabricada em FEOL (Nota 2) para processos abaixo de 22 nm porque é compatível com a tecnologia de processo lógico CMOS existente e requer menos camadas de máscara adicionais. No entanto, a MRAM tem uma margem de leitura menor que a memória flash, o que degrada a velocidade de leitura. Uma grande lacuna entre a frequência operacional da CPU e a frequência de leitura da memória não volátil também é um desafio, pois pode degradar o desempenho do MCU.
A MRAM também pode atingir um tempo de gravação mais curto do que a memória flash porque não requer operação de apagamento antes da operação de gravação. No entanto, são necessárias melhorias adicionais de velocidade para reduzir o tempo de inatividade do sistema para atualizações over-the-air (OTA) necessárias para dispositivos terminais e reduzir custos para os fabricantes de produtos finais na gravação de códigos de controle para MCUs.
Para enfrentar esses desafios e responder à demanda do mercado por maior desempenho de MCU, a Renesas desenvolveu as seguintes novas tecnologias de circuito para obter operações de leitura e gravação mais rápidas em MRAM.
1. Tecnologia de leitura rápida empregando circuito amplificador de detecção de alta precisão
MRAM usa células de memória, incluindo dispositivos de junção de túnel magnético (MTJ), nos quais estados de alta e baixa resistência correspondem a valores de dados de 1 e 0, respectivamente, para armazenar informações. Um amplificador de detecção diferencial distingue entre os dois estados lendo a diferença de tensão na velocidade de descarga entre a corrente da célula de memória e a corrente de referência.
No entanto, como a diferença de corrente da célula de memória entre os estados 1 e 0 é menor para MRAM do que para memória flash, a diferença de tensão lida pelo amplificador de detecção é menor. Mesmo que o tempo de descarga seja estendido para diferenças de tensão mais amplas entre os nós de entrada diferenciais do amplificador de detecção, ambos os nós de entrada são suscetíveis de serem completamente descarregados antes de garantirem uma diferença de tensão necessária. Este problema é particularmente agudo em altas temperaturas.
Para resolver esse problema, a Renesas introduziu uma nova tecnologia usando acoplamento capacitivo para aumentar o nível de tensão dos nós de entrada diferenciais, permitindo que o amplificador diferencial detecte uma diferença de tensão mesmo quando a diferença de corrente da célula de memória é pequena, alcançando alta precisão e leitura rápida. Operação.
2. Tecnologia Fast Write com otimização simultânea do número de bits de gravação e tempo de transição de modo reduzido
Seguindo as tecnologias de gravação de alta velocidade para STT-MRAM incorporado anunciadas em dezembro de 2021, a nova tecnologia atinge velocidade ainda maior ao reduzir o tempo de transição de modo durante a operação de gravação.
Esta tecnologia divide as áreas às quais a tensão de gravação é aplicada e, ao inserir o endereço de gravação antes da configuração da tensão de gravação, aplica seletivamente a tensão apenas à área necessária. Este método reduz a carga capacitiva parasita na área onde a tensão é aplicada durante a operação de gravação, reduzindo o tempo de configuração da tensão. Como resultado, o tempo de transição de modo para operação de gravação é reduzido em aproximadamente 30%, acelerando a operação de gravação.
A Renesas continua a desenvolver tecnologias destinadas à aplicação da tecnologia MRAM incorporada em produtos MCU. Estas novas tecnologias têm o potencial de aumentar drasticamente a velocidade de acesso à memória, que atualmente é um desafio com a MRAM, para exceder 100 MHz, permitindo MCUs de maior desempenho com MRAM incorporada. A velocidade de gravação mais rápida contribuirá para uma gravação de código mais eficiente em dispositivos terminais.
A Renesas está comprometida em aumentar ainda mais a capacidade, velocidade e eficiência energética dos MCUs para acomodar uma variedade de novas aplicações.
