如何使用 MRAM 來提升邊緣運算的可靠性、縮短延遲並降低功耗

在工業物聯網 (IIoT)、機器人、醫療裝置、穿戴式裝置、人工智慧、汽車和可攜式設計等應用中，邊緣運算的使用日益增加。隨之而來的是，程式儲存和資料備份等用途也需要高速、低延遲、低功率、低成本的非揮發性記憶體。雖然這類記憶體的選擇很多，如靜態隨機存取記憶體 (SRAM)、動態隨機存取記憶體 (DRAM)、快閃記憶體，及電子抹除式可編程唯讀記憶體 (EEPROM) 等等，但是這些廣泛採用的技術，都勢必會在一個或多個技術層面上有所取捨，因此無法成為邊緣運算的理想選擇。

不過，設計人員可以轉而考慮磁阻式隨機存取記憶體 (MRAM)。顧名思義，MRAM 元件將資料儲存在磁性儲存元件中，並具有真正的隨機存取功能，因此可在記憶體中隨機讀取和寫入。由於本身的結構和運作方式，MRAM 具備低延遲、低洩漏、高寫入週期計次和長久保存性等特點，這些都十分符合邊緣運算所需的要素。

本文將對 EEPROM、SRAM 和快閃記憶體等常見記憶體技術，與 MRAM 進行簡要的效能比較。接著探討在數種邊緣運算應用中使用 MRAM 的好處，然後介紹 Renesas Electronics 的特定 MRAM 元件、一些 MRAM 使用訣竅，以及一款可協助設計人員開始設計的評估平台。

記憶體技術比較

邊緣運算應用的設計人員可以在幾種記憶體技術中進行選擇，每種技術都有不同的效能與折衷方案 (圖 1)。DRAM 最常作為工作記憶體，可供各種類型的處理器在執行軟體期間使用。此種記憶體價格低廉，速度比 SRAM 相對較慢，功率消耗量大，而且僅可在供電情況下保存資料。此外，DRAM 記憶體單元會因輻射而受損。

SRAM 比 DRAM 的速度更快，也更昂貴，也常作為處理器的快取記憶體使用，但 DRAM 則作為主記憶體使用。在前述記憶體當中，SRAM 消耗的功率最多，而且跟 DRAM 一樣屬於揮發性記憶體。SRAM 單元會因輻射而受損，且 DRAM 和 SRAM 皆有高耐久性。

EEPROM 屬於非揮發性記憶體，使用外部施加的電壓來抹除資料。EEPROM 速度緩慢，耐久性有限，通常最多僅達一百萬次的循環，功耗也相對較高。前述記憶體技術當中，EEPROM 是目前最少使用的技術。

快閃記憶體是 EEPROM 的變化型，具備更大的儲存容量和更快的讀取／寫入速度，但速度依然相對緩慢。快閃記憶體既價格低廉，又可以在停止供電狀況下，保存資料長達 10 年。但比起其他類型的記憶體，快閃記憶體在使用上相對複雜。此種記憶體必須以區塊為單位讀取資料，無法以位元組為單位進行讀取。此外，在重新寫入之前，必須將單元抹除。抹除必須按區塊 (而非個別位元組) 依序執行。

MRAM 本身是真正的隨機存取記憶體，可在記憶體中進行隨機讀取和寫入。MRAM 還具備待命時零洩漏的特點，可承受 10¹⁶ 次寫入週期，且在 85°C 下資料可保存超過 20 年。目前可提供 4 至 16 Mbit 的密度範圍。

MRAM 技術類似於具備 SRAM 相容讀取／寫入時序的快閃記憶體技術；MRAM 有時稱為永久性 SRAM (P-SRAM)。由於自身的特性，MRAM 特別適合必須以最短延遲來儲存和取得資料的應用。此技術不但具備此種短延遲的特性，還結合了低功率、無限耐久性、可擴充性和非揮發性等特點。此外，MRAM 對 α 粒子固有的耐受性，也相當適合用於經常暴露於輻射的元件。

圖 1：MRAM 與快閃記憶體及 EEPROM 一樣屬於非揮發性記憶體，且具備 SRAM 相容讀取／寫入時序。(圖片來源：Renesas Electronics)

MRAM 的運作原理

顧名思義，MRAM 裡的資料是由磁性儲存元件所儲存。這些元件是以兩片鐵磁板組成，各板都能保持在磁化狀況下，中間隔以細薄的絕緣層。此結構稱為磁性穿隧接面 (MTJ)。在這兩片鐵磁板中，一片在製造期間設定為特定極性的永久磁鐵，另一片的磁化狀況則可以更改，以便儲存資料。Renesas Electronics 最近上市的 MRAM 元件，採用自行研發的自旋轉移矩 MRAM (STT-MRAM)，而此 MRAM 以垂直磁性穿隧接面 (p-MTJ) 為基礎。p-MTJ 包含固定且不可變更的磁性層、介電質阻障層，以及可變更的鐵磁儲存層 (圖 2)。

圖 2：STT-MRAM 基本單元包含一個 MTJ 和一個存取電晶體。(圖片來源：Avalanche Technology)

在編程作業期間，儲存層的磁性取向會以電氣方式，從平行狀態 (低阻抗狀態「0」) 切換成反平行狀態 (高阻抗狀態「1」)，反之亦然，具體需視流過 p-MTJ 元件的電流方向而定。這兩種截然不同的阻抗狀態可用於資料儲存和感測。

MRAM 使用案例

資料記錄、IoT 節點中的記憶體、邊緣運算裝置的機器學習／人工智慧，以及醫院的 RFID 標籤，全都是使用 MRAM 的範例。

資料紀錄器需要多個 Mb 大小的非揮發性記憶體，才能容納長期累積的資料。這些元件通常是由電池供電，但也能靠能源採集取得電力，因此需要低功率記憶體。失去電力時，記錄的資料必須予以無限期保留。MRAM 可以符合資料紀錄器的效能要求。

MRAM 的永久性結合極低的能源模式，即可為 IoT 節點中的程式碼和資料打造出一個整合式記憶體解決方案，這些節點能採用極小的尺寸並透過能源採集器或電池供電 (圖 3)。啟動時間往往是 IoT 節點的重要考量因素。若使用 MRAM 實作就地程式碼結構，即能縮短啟動所需的時間，並且由於對 DRAM 或 SRAM 的需求減少，也能降低整體的物料清單成本。

圖 3：MRAM 的速度、耐久性和資料保存等能力，均有助於符合 IoT 節點的記憶體需求。(圖片來源：Avalanche Technology)

此外，MRAM 提供的永久性也能讓新一代 IoT 節點進行機器學習，無需在每次裝置喚醒後都必須重新載入推論演算法。本機處理包括分析感測器資料、進行決策，甚至在某些情況下重新設定節點。此種本機智慧型功能需要使用永久型的低功率記憶體。這些元件能即時實作本機粗略推論，且能使用雲端來加強分析。

MRAM 的速度有利於在邊緣裝置中實作機器學習功能，包括企業資源規劃 (ERP) 系統、製造執行系統 (MES) 以及監管控制與數據採集 (SCADA) 系統。這些系統中會對資料進行分析，然後確認中間模式，並與鄰近網域共用。邊緣架構需要快速處理能力和永久型記憶體。

設計人員還能將 MRAM 用於醫療保健設備中，充分利用無線射頻識別 (RFID) 功能。MRAM 的功耗低，對輻射具有耐受性，相當適合在醫院環境中使用。在醫院中使用 RFID 標籤的原因繁多，其中包括存貨管理、病患照護及安全、醫療設備識別，以及耗材的識別與監控。

高效能 MRAM 序列記憶體

邊緣運算系統包括工業控制和自動化、醫療裝置、穿戴式裝置、網路系統、儲存／RAID、汽車和機器人，這類系統的設計人員可以使用 Renesas 的 M30082040054X0IWAY (圖 4)。此種記憶體可提供 4 至 16 Mbit 的密度範圍。Renesas 的 MRAM 技術類似於具備 SRAM 相容讀取／寫入時序的快閃記憶體技術。資料一律屬於非揮發性，其耐久性為 10¹⁶ 個寫入週期，可在 85°C 下保存超過 20 年。

M30082040054X0IWAY 具有序列周邊裝置介面 (SPI)，因此不需軟體元件驅動程式。SPI 是一種資料和時脈採用不同線路的同步序列介面，有助於主機和從機保持完美同步。時脈能告知接收器在數據線上進行位元取樣的確切時間。這可以是時脈訊號的正緣 (從低至高) 或負緣 (從高至低)，或正負緣。

圖 4：M30082040054X0IWAY 提供軟硬體式資料保護機制。硬體保護是透過 WP# 引腳；軟體保護則透過狀態暫存器中的設定位元組控制；兩種機制都禁止寫入暫存器和記憶體陣列。(圖片來源：Renesas)

M30082040054X0IWAY 支援晶片內執行 (XIP) 功能，可完成一連串讀取和寫入指令，而不必為各個指令個別載入讀取或寫入命令。因此，XIP 模式可以省下命令執行時間，並減少隨機讀寫存取時間。

M30082040054X0IWAY 提供軟硬體式資料保護機制。硬體保護是透過 WP# 引腳；軟體保護則透過狀態暫存器中的設定位元組控制；兩種機制都禁止寫入暫存器和記憶體陣列。此元件擁有一個 256 位元擴增儲存陣列，乃獨立於主記憶體陣列。其可由使用者進行編程，而且具有寫入保護功能，以防意外寫入。

為了進一步滿足低功率應用，M30082040054X0IWAY 擁有兩種低功率狀態：深度斷電和休眠。元件處於這兩種低功率狀態的任一種時，資料都不會遺失。而且，元件還能保有本身的所有配置。

此元件在小覆蓋區內提供 8 焊墊 DFN (WSON) 和 8 引腳 SOIC 封裝。這些封裝與類似的低功率揮發性和非揮發性產品相容。所提供的工作溫度範圍包括工業範圍 (-40°C 至 85°C) 和延伸工業範圍 (-40°C 至 105°C)。

MRAM 的使用

相較於其他記憶體技術，MRAM 能大幅減少整體的能源消耗，但節省的能源量會因特定應用設計的使用模式而異。如同其他非揮發性記憶體一樣，寫入電流遠高於讀取或待機電流。因此，電力關鍵應用的寫入時間必須減至最少，特別是需要頻繁寫入記憶體的設計。相較於 EEPROM 或快閃記憶體等其他非揮發性記憶體選擇，MRAM 的寫入時間較短，能減低此考量的風險，同時減少能源消耗。

若使用電源閘控系統架構，並儘可能地讓記憶體進入待機模式，MRAM 便可能省下額外的能源。相較於其他非揮發性記憶體，MRAM 從啟動至寫入的時間更快速，可以讓其更頻繁地進入待機模式。MRAM 待機模式下的零洩漏也是一大幫助。請注意，採用電源閘控時往往需要更大的解耦電容，以便支援啟動能源需求。

MRAM 評估板

為了協助設計人員開始使用 M30082040054X0IWAY，Renesas 提供了 M3016-EVK 評估套件。此套件內含 16 MB MRAM，可讓使用者運用常見的 Arduino 板件來開發互動式硬體解決方案 (圖 5)。此隨插即用套件具備 Arduino 主機板，以及可透過個人電腦 USB 介面通訊的終端機模擬軟體。評估板是透過 UNO R3 排針座而安裝於 Arduino UNO 主機板的頂端。所提供的測試程式可讓使用者快速評估 MRAM 元件的功能。

圖 5：M3016-EVK 評估套件安裝在 Arduino UNO 主機板頂端，可支援快速評估 MRAM 效能。(圖片來源：Renesas)

結論

利用 DRAM、SRAM、快閃記憶體和 EEPROM 等傳統記憶體技術，來進行邊緣運算裝置的設計，需要採用多種會限制效能的折衷方案。邊緣運算的設計人員可以轉而使用近期推出的 MRAM，其具有真正的隨機存取功能，允許在記憶體中隨機進行讀取和寫入。

如本文所述，MRAM 可支援邊緣運算設計人員的記憶體需求，其中包括：元件在儲存和取出資料時不得發生較長延遲；待機模式下因零洩漏而達到低功耗；以及可承受 10¹⁶ 次寫入週期，且在 85°C 下資料保存期限超過 20 年。

推薦閱讀

1. 採用邊緣運算的智慧安全系統