在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、可穿戴設(shè)備、人工智能、汽車(chē)和便攜式設(shè)計(jì)等應(yīng)用中，邊緣計(jì)算的使用日益增加。隨著這種需求的增加，程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)備份等應(yīng)用也越來(lái)越需要高速、低延遲、非易失性、低功耗、低成本的存儲(chǔ)器。選擇雖然很多，包括靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (SRAM)、動(dòng)態(tài) RAM (DRAM)、閃存和電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 (EEPROM)，但這些廣泛使用的技術(shù)都需要在一個(gè)或多個(gè)方面進(jìn)行取舍，如此便不太適合用于邊緣計(jì)算。

幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (MRAM)。顧名思義，MRAM 就是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁性存儲(chǔ)元件中并提供真正隨機(jī)訪問(wèn)的器件，允許在存儲(chǔ)器中隨機(jī)進(jìn)行讀寫(xiě)。由于自身的結(jié)構(gòu)和工作方式，MRAM 需要具有低延遲、低漏電、高寫(xiě)入循環(huán)次數(shù)和長(zhǎng)保留時(shí)間的特點(diǎn)，而這些都是邊緣計(jì)算非常需要的條件。

本文簡(jiǎn)要比較了 EEPROM、SRAM、閃存等常見(jiàn)存儲(chǔ)器技術(shù)與 MRAM 的性能能力。然后，文中將說(shuō)明在多個(gè)邊緣計(jì)算應(yīng)用中使用 MRAM 的好處，然后介紹來(lái)自Renesas Electronics的特定 MRAM 器件、一些 MRAM 使用技巧，以及一款能幫助設(shè)計(jì)人員著手設(shè)計(jì)的評(píng)估平臺(tái)。

存儲(chǔ)器技術(shù)比較

對(duì)于邊緣計(jì)算應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以在幾種存儲(chǔ)器技術(shù)中進(jìn)行選擇，每種技術(shù)都提供了不同的性能能力和取舍（圖 1）。DRAM 通常用于在軟件執(zhí)行期間為各種類(lèi)型的處理器提供工作存儲(chǔ)空間。這種存儲(chǔ)器價(jià)格便宜、速度相對(duì)較慢（與 SRAM 相比）、功耗巨大，而且只有在供電時(shí)才能保留數(shù)據(jù)。另外，DRAM 存儲(chǔ)單元容易受到輻射破壞。 SRAM 比 DRAM 速度更快，價(jià)格更高。它通常用作處理器的高速緩存，而 DRAM 則提供主存儲(chǔ)器。SRAM 是本文所述功耗最高的存儲(chǔ)器，并且與 DRAM 一樣，它也是易失性存儲(chǔ)器。SRAM 單元容易受到輻射破壞，DRAM 和 SRAM 都具有出色的耐久性。

EEPROM 是一種非易失性存儲(chǔ)器，使用外部施加的電壓來(lái)擦除數(shù)據(jù)。EEPROM 速度慢，耐久性有限（通常最多擦寫(xiě)一百萬(wàn)次），并且功耗相對(duì)較高。在本文所述存儲(chǔ)器技術(shù)中，EEPROM 目前使用得最少。 閃存是 EEPROM 的一種變體，具有更大的存儲(chǔ)容量和更快的讀寫(xiě)速度，但仍然相對(duì)較慢。閃存價(jià)格便宜，并且可以在斷電條件下保留數(shù)據(jù)長(zhǎng)達(dá) 10 年。但是，相對(duì)于其他存儲(chǔ)器類(lèi)型，閃存使用起來(lái)更為復(fù)雜。數(shù)據(jù)必須按塊讀取，不能逐字節(jié)讀取。同樣，在重寫(xiě)之前，必須擦除存儲(chǔ)單元。擦除必須逐塊，而不是逐字節(jié)進(jìn)行。

MRAM 是一種真正的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器；允許在存儲(chǔ)器中隨機(jī)進(jìn)行讀寫(xiě)。MRAM 在待機(jī)狀態(tài)下還具有零漏電的特性，能夠承受 1016 次擦寫(xiě)循環(huán)，并且在 85°C 下能夠保留數(shù)據(jù) 20 年以上。當(dāng)前提供的容量密度范圍從 4 Mb 到 16 Mb。 MRAM 技術(shù)類(lèi)似于具有 SRAM 兼容讀/寫(xiě)時(shí)序的閃存技術(shù)；MRAM 有時(shí)稱(chēng)為持久性 SRAM (P-SRAM)。由于自身的特性，MRAM 特別適合必須以最小延遲存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的應(yīng)用。該技術(shù)不但具有這種低延遲，還結(jié)合了低功耗、無(wú)限耐久性、可擴(kuò)展性和非易失性。此外，MRAM 對(duì) α 粒子的固有抗擾度還使其適用于經(jīng)常暴露于輻射的設(shè)備。

MRAM 工作原理

顧名思義，MRAM 中的數(shù)據(jù)由磁性存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)。這些元件由兩塊鐵磁板構(gòu)成，每塊板都能保持磁化，中間用一層薄薄的絕緣層隔開(kāi)。這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為磁隧道結(jié) (MTJ)。在這兩塊板中，其中一塊在制造過(guò)程中被置為特定極性的永磁體；另一塊的磁化強(qiáng)度可以改變，以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。Renesas Electronics 最近新推出了 MRAM 器件，采用基于垂直磁隧道結(jié) (p-MTJ) 的專(zhuān)有自旋轉(zhuǎn)移矩 MRAM (STT-MRAM)。p-MTJ 包括固定不變的磁性層、電介質(zhì)阻擋層和可變的鐵磁存儲(chǔ)層（圖 2）。

在編程操作期間，根據(jù)流過(guò) p-MTJ 元件的電流方向，存儲(chǔ)層的磁性取向從平行狀態(tài)（低阻抗?fàn)顟B(tài)“0”）電切換為反平行狀態(tài)（高阻抗?fàn)顟B(tài)“1”），或者反之亦然。這兩個(gè)不同的阻抗?fàn)顟B(tài)可用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和感測(cè)。

MRAM 用例

MRAM 用例包括數(shù)據(jù)記錄、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器、邊緣計(jì)算設(shè)備機(jī)器學(xué)習(xí)/人工智能，以及醫(yī)院中的 RFID 標(biāo)簽。 數(shù)據(jù)記錄器需要數(shù)兆比特的非易失性存儲(chǔ)器，以容納長(zhǎng)期積累的數(shù)據(jù)。記錄器通常由電池供電，但也可以依靠能量收集來(lái)供電，因此需要低功耗存儲(chǔ)器。斷電時(shí)，記錄的數(shù)據(jù)必須可無(wú)限期保留。MRAM 滿(mǎn)足數(shù)據(jù)記錄器的性能要求。 MRAM 的持久性與極低能耗模式相結(jié)合，可為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供統(tǒng)一的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案，這些節(jié)點(diǎn)能采用極小的外形尺寸并由能量收集器或電池供電（圖 3）。啟動(dòng)時(shí)間通常是物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的重要考慮因素。若使用 MRAM 實(shí)現(xiàn)原地編碼結(jié)構(gòu)，即可減少啟動(dòng)所需的時(shí)間，并且由于對(duì) DRAM 或 SRAM 的需求減少，還能降低總體的物料成本。

此外，MRAM 提供的持久性還能讓新一代物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，而無(wú)需在每次設(shè)備喚醒后都重新加載推理算法。本地處理包括分析傳感器數(shù)據(jù)、做出決策，甚至在某些情況下重新配置節(jié)點(diǎn)。這種本地智能化需要持久的低功耗存儲(chǔ)器。這些器件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)本地粗略推斷，并可以使用云端進(jìn)行增強(qiáng)分析。

MRAM 的速度有利于在邊緣設(shè)備中實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)，例如企業(yè)資源計(jì)劃 (ERP) 系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES)、監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)等。在這些系統(tǒng)中可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定中間模式，并與相鄰域共享。邊緣架構(gòu)需要快速處理能力和持久性存儲(chǔ)器。 設(shè)計(jì)人員還可以將 MRAM 應(yīng)用于射頻識(shí)別 (RFID) 非常有用的醫(yī)療保健設(shè)備中。低功耗加上抗輻射性能讓 MRAM 適用于醫(yī)院環(huán)境。醫(yī)院中的 RFID 標(biāo)簽有多種用途，包括庫(kù)存管理、患者護(hù)理和安全、醫(yī)療設(shè)備識(shí)別，以及耗材的識(shí)別和監(jiān)控。

高性能串行 MRAM 存儲(chǔ)器

在包括工業(yè)控制和自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、可穿戴設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)/RAID、汽車(chē)和機(jī)器人在內(nèi)的邊緣計(jì)算系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員都可以使用 Renesas 的M30082040054X0IWAY（圖 4）。該產(chǎn)品提供的容量密度范圍從 4 Mb 到 16 Mb。Renesas 的 MRAM 技術(shù)類(lèi)似于具有 SRAM 兼容讀/寫(xiě)時(shí)序的閃存技術(shù)。數(shù)據(jù)始終是非易失性的，具有 1016 次寫(xiě)入循環(huán)的耐久性和 85°C 下超過(guò) 20 年的保留能力。 M30082040054X0IWAY 配備串行外設(shè)接口 (SPI)，因而無(wú)需軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。SPI 是一種同步串行接口，采用單獨(dú)的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線來(lái)幫助保持主機(jī)和從機(jī)的完美同步。時(shí)鐘可準(zhǔn)確告知接收器何時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)線上的位進(jìn)行采樣。這可以是時(shí)鐘信號(hào)的上升沿（從低到高）或下降沿（從高到低）或在兩個(gè)沿同時(shí)進(jìn)行。

M30082040054X0IWAY 支持芯片內(nèi)執(zhí)行 (XIP)，可以完成一系列讀寫(xiě)指令，而不必為每條指令單獨(dú)加載讀或?qū)懨?。因此，XIP 模式可節(jié)省命令開(kāi)銷(xiāo)并減少隨機(jī)讀寫(xiě)訪問(wèn)時(shí)間。 M30082040054X0IWAY 提供基于硬件和軟件的數(shù)據(jù)保護(hù)方案。硬件保護(hù)通過(guò) WP# 引腳提供。軟件保護(hù)由狀態(tài)寄存器中的配置位控制。

兩種方案均禁止寫(xiě)入寄存器和存儲(chǔ)器陣列。該器件具有一個(gè)獨(dú)立于主存儲(chǔ)器陣列的 256 字節(jié)增強(qiáng)存儲(chǔ)陣列。此陣列可由用戶(hù)進(jìn)行編程，并且可以進(jìn)行寫(xiě)保護(hù)以防意外寫(xiě)入。 為了進(jìn)一步滿(mǎn)足低功耗應(yīng)用，M30082040054X0IWAY 提供了兩種低功耗狀態(tài)：深度省電和休眠。當(dāng)器件處于這兩種低功耗狀態(tài)的任一種時(shí)，數(shù)據(jù)都不會(huì)丟失。此外，器件還會(huì)保留所有配置。 該器件采用小巧的 8 焊盤(pán) DFN (WSON) 和 8 引腳 SOIC 封裝。這些封裝與類(lèi)似的低功耗易失性和非易失性產(chǎn)品兼容。它提供工業(yè)（-40°C 至 85°C）和擴(kuò)展工業(yè)工作溫度范圍（-40°C 至 105°C）選擇。

使用 MRAM

與其他存儲(chǔ)器技術(shù)相比，MRAM 可以顯著降低總能耗。但是，節(jié)能量可能會(huì)因特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的使用模式而異。與其他非易失性存儲(chǔ)器一樣，寫(xiě)入電流遠(yuǎn)高于讀取或待機(jī)電流。因此，在功耗關(guān)鍵型應(yīng)用中，特別是在需要頻繁寫(xiě)入存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)中，需要將寫(xiě)入時(shí)間降到最少。與其他非易失性存儲(chǔ)器選擇（如 EEPROM 或閃存）相比，MRAM 較短的寫(xiě)入時(shí)間可以緩解這種擔(dān)憂，并能降低能耗。 若采用電源選通系統(tǒng)架構(gòu)并盡可能地將存儲(chǔ)器置于待機(jī)狀態(tài)，MRAM 就可以實(shí)現(xiàn)額外的節(jié)能。MRAM 的上電至寫(xiě)入時(shí)間更快，因此能比其他非易失性存儲(chǔ)器更頻繁地進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。MRAM 在待機(jī)狀態(tài)下的零漏電對(duì)于這方面也有所幫助。請(qǐng)注意，采用電源選通技術(shù)時(shí)，通常需要使用更大的去耦電容器來(lái)支持上電能量需求。

MRAM 評(píng)估板

為了幫助設(shè)計(jì)人員著手使用 M30082040054X0IWAY，Renesas 提供了M3016-EVK評(píng)估套件。該套件包含 16 Mb MRAM，能夠讓用戶(hù)使用流行的 Arduino 板開(kāi)發(fā)交互式硬件解決方案（圖 5）。該即插即用套件具有 Arduino 主機(jī)板并配套可與 PC 計(jì)算機(jī) USB 接口通信的終端仿真器軟件。該評(píng)估板通過(guò) UNO R3 針座安裝在 Arduino UNO 主機(jī)板的頂部。所提供的測(cè)試程序能夠讓用戶(hù)快速評(píng)估 MRAM 器件的功能。

結(jié)語(yǔ)

在利用諸如 DRAM、SRAM、閃存和 EEPROM 之類(lèi)常規(guī)存儲(chǔ)器技術(shù)設(shè)計(jì)邊緣計(jì)算設(shè)備時(shí)，需要進(jìn)行各種取舍，因而會(huì)限制性能。對(duì)于邊緣計(jì)算，設(shè)計(jì)人員可以考慮最近推出的 MRAM，它們提供了真正的隨機(jī)訪問(wèn)能力，并允許在存儲(chǔ)器中進(jìn)行隨機(jī)讀寫(xiě)。 如上所述，MRAM 滿(mǎn)足了邊緣計(jì)算設(shè)計(jì)人員對(duì)存儲(chǔ)器的需求：器件必須能存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)而不會(huì)產(chǎn)生較大延遲；待機(jī)時(shí)零漏電以降低功耗；能夠承受1016次的寫(xiě)入循環(huán)，并在 85°C 下保留數(shù)據(jù) 20 年以上。 作者：Jeff Shepard 來(lái)源：Digi-Key

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：如何使用 MRAM 提高邊緣計(jì)算的可靠性，減少延遲并降低功耗

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