瑞萨电子高性能MCU赋能嵌入式存储器技术创新

在过去十年中，从医疗设备、智能家居到工业自动化等市场，物联网（IoT）设备的数量呈指数级增长。这些智能互联的终端可实现复杂且计算密集型的应用、运行实时控制环路、分析海量数据、集成复杂的图形和用户界面，并运行高级协议实现云通信。

机器学习在边缘实现了语音和视觉AI功能，使设备能够在没有云介入的情况下做出智能决策并触发动作。这减少了延迟和功耗，节省了带宽，并增加了隐私性。高级安全性也已成为这些系统不可或缺的一部分，因为用户需要片上先进的加密加速器、强大的系统隔离以及静态和动态数据的安全性，还需要更低的功耗和快速唤醒时间，以延长电池寿命并降低整体系统功耗。

这些新兴要求推动了嵌入式系统对更高处理能力的需求。此外，还需要可靠、低功耗的代码和数据非易失性存储来实现这些复杂的应用。传统系统使用功能强大的MPU或多个MCU来执行这些功能。

最近，我们看到高性能多核MCU的出现，其性能接近MPU（有些带有硬件AI加速器），可以用单个芯片处理所有这些功能。这些高性能MCU为MPU提供了强大的替代方案，适用于对功耗和成本敏感的应用场景。与MPU相比，MCU具有多项优势，使其特别适合这些对功耗敏感的物联网应用——更好的实时性能、电源管理和非易失性存储器的集成、单电压轨供电、更低的功耗、通常更低的成本和易用性。

对更高性能和功能的需求，同时保持较低的功耗和成本，推动了使用28纳米或22纳米等更精细工艺技术节点的趋势。这一趋势推动了嵌入式存储器技术的创新，因为嵌入式闪存的扩展能力不会远低于40纳米。磁阻随机存取存储器（MRAM）等替代存储器技术正在被用来取代非易失性存储的嵌入式闪存。台积电等许多芯片制造商现在提供可集成到MCU中的嵌入式MRAM。

瑞萨电子的高性能MCU满足市场需求

瑞萨电子设计了RA8M2和RA8D2单核和双核MCU，以提供高性能应用所需的性能。这些超高性能MCU采用ArmCortex-M85和Cortex-M33内核，并提供超过7300 CoreMark的突破性性能，可以驱动复杂的计算密集型应用程序。这些MCU基于22nmULL工艺构建，可在CM85内核上大幅提升高达1GHz的性能并降低功耗。这种性能与大型片上存储器、高速连接外设、外部存储器接口和优化的功能集相结合，使这些MCU成为广泛的计算密集型物联网和图形应用的理想选择。

RA8M2和RA8D2 MCU集成新的嵌入式MRAM作为非易失性存储器，可提供高耐用性和数据保留、无需擦除的更快写入以及更低的漏电流和制造成本。为了真正保护物联网应用，这两款高性能MCU提供先进的安全性、不可变内存和TrustZone。

双核MCU的性能和系统设计灵活性

单核RA8M2和RA8D2 MCU采用运行频率高达1GHz的CM85内核。具有Helium矢量扩展功能，可实现计算密集型应用。在双核选项上，增加了第二个核CM33，以实现高效的系统分区、更低功耗的唤醒及运行。任一内核都可以配置为主CPU或从CPU，并且可以独立供电。处理器间通信是通过标志、中断和消息FIFO进行的。

图1：强大的CPU双核架构实现高效系统分区与任务隔离

双核MCU通过实现更高的处理能力、两个内核之间的高效任务分区和改进的实时性能，显著增强了物联网应用的性能。系统任务可以分配给不同的内核，从而实现并行且更高效的系统运行。一个内核可以处理实时控制任务、传感器接口和通信，而另一个内核通常是更高性能的内核，可以处理计算密集型任务，例如神经网络模型运算符的执行、音频或图像数据的预处理、图形或电机控制。两个内核之间的这种分区可以实现更快的执行和系统性能的整体改进。

图 2：双核架构实现高效系统分区与任务隔离

通过优化的系统任务分区，双核可以实现更低的功耗。每个内核都可以独立控制，使它们能够以最适合指定任务的频率运行。性能较低的CM33内核可以作为管家CPU，从而实现低功耗唤醒及运行。高性能内核大部分时间可以保持低功耗模式，只有在需要高性能处理时才被唤醒。这种任务分离可合理使用MCU资源，从而降低了整体系统功耗。

双核还支持更强大的系统设计。高计算任务可以与更关键的时间和安全任务以及实时控制回路分开，从而实现更稳健的系统设计。一个核的中断不会对第二个核的任务产生影响。双核还可以通过核心隔离、冗余设计，实现安全关键任务和非关键任务的资源优化，实现功能安全。

嵌入式MRAM的性能和能效

向更小制程节点的演进为新型存储器替代品打开了大门，例如MRAM，它正在以嵌入式MRAM（eMRAM）的形式进入嵌入式领域，现在包含在RA8M2和RA8D2 MCU中。

随着MCU制造商通过更先进的制程工艺提升性能和功能，eMRAM越来越多地取代嵌入式闪存，成为首选的非易失性存储器。使MRAM成为MCU上可行选择的一个关键因素，是它具备抗回流焊数据保持能力，这使得器件可在焊接到电路板之前进行预编程。另一个优点是，由于字节可寻址性，MRAM不仅可以用来替代嵌入式闪存（用于代码），还可以用来替换SRAM（用于数据存储）（除非在跨电源循环时保留数据存在安全问题）。嵌入式MRAM现在得到主要硅代工厂的支持，这使得MCU制造商能够以最小的成本开销将MRAM整合到新的芯片设计中。

需要特别小心，以防止MRAM被设备附近存在的外部磁场损坏。MCU制造商通常指定空闲、断电和工作模式下的磁抗扰度。为了避免MRAM位损坏，设计人员需要在外部磁场源和基于MRAM的器件之间提供足够的间距，以免超过该抗磁度规格。用专用材料屏蔽MRAM是保护MRAM免受强磁场影响的另一种选择。

MRAM技术的主要优势

真正的随机存取非易失性存储器，与闪存相比具有更高的耐用性和保留率

与闪存相比，写入速度更快，无需擦除

字节可寻址，比闪存更易于访问，类似于SRAM，提高了性能和功耗

待机时无漏电流，功耗比SRAM显著降低

非破坏性读取，无需刷新，因此它是DRAM的替代方案

磁层不易受到辐射的影响，类似于闪存

与闪存相比，MRAM生产所需的掩模层数更少，从而降低了成本

可很好地扩展到较低的工艺技术节点，因此为嵌入式闪存提供了可行的替代方案

MRAM应用

MRAM的低功耗和非易失性特性使其成为各种物联网应用的理想选择，作为统一存储器，取代嵌入式闪存、SRAM或电池供电的SRAM。它还可用于替代需要高密度、低功耗和非易失性数据存储的数据记录应用的DRAM。对辐射的抗扰度使其成为临床环境和太空应用中医疗应用的理想选择。MRAM还可用于工业控制和机器人、数据中心和智能电网应用，用于实时数据存储、快速数据检索和更换备用电池SRAM。

同时，不容忽视的是使用机器学习的边缘人工智能市场——在这里，MRAM可用于存储人工智能神经网络模型和权重，这些模型和权重在电源循环中保留，不需要每次都重新加载执行。MRAM具有快速读/写、低功耗和高耐用性，特别适合这些需要高处理性能的应用。

总之，新兴的应用场景推动了MCU对高性能和专用功能的需求。强大的CPU内核、多核架构、MRAM等新内存技术和丰富的外设集成在RA8M2和RA8D2 MCU上，满足各种前沿应用的需求。

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