利用MRAM技术实现工作频率达400MHz的非易失性逻辑电路

NEC开发出实现零待机功耗SoC所需的关键技术——“非易失性磁性触发器(MFF)”。该技术可以大幅降低数字消费类设备及便携设备的待机功耗，如可使普通的蓝光/DVD录像机的待机功耗降至原来的几十分之一。

　　MFF通过采用MRAM(磁性存储器)技术实现了具有非易失性的逻辑电路。如果用MFF替代SoC内的逻辑电路，并用MRAM替代SoC内的 SRAM，那么就可以实现整个芯片的非易失化。而且，这不会影响芯片的性能，在制造工艺上也只需在芯片的布线层之间插入磁性物质层。

　　由于采用了MRAM技术，所以可擦写次数没有限制，并且也可以支持先进工艺技术所需的1V以下的低电压。这些特性都是其它非易失性触发器技术所没有的，所以，MRAM技术有很广阔的应用前景。NEC的目标是在几年内使用MFF技术试制出零待机功耗的SoC。

　　这种SoC将能够非常精确地控制电源的开/关。例如，当用户按下电脑键盘时，电脑便可瞬间启动，操作完成之后再关断电源。如果设备能以用户感觉不到的非常高的速度执行这些操作，那么即使是人们在使用设备时，其功耗也可以大幅降低。

降低待机功耗

　　随着显示屏尺寸及联网时间的持续增加，数字消费类设备的功耗也在持续增大。根据日本资源能源厅的统计，消费类行业中能源消耗的增长趋势明显，如何降低设备的功耗是当务之急。此外，对于便携设备来说，由于其电池使用时间关系着产品的竞争力，所以降低功耗也刻不容缓。

　　在这种情况之下，各开发机构纷纷开始进行相关研究，以期开发出各种以低功耗为卖点的设备，如当检测到房间内没有人时就关断电源的液晶电视、采用高效率无线功率放大器的低功耗便携设备等。

　　从数字消费类设备及便携设备等的使用状况来看，大多数时间内，它们均处于待机模式下。所以，要实现低功耗的设备，降低待机功耗是非常重要的。在待机模式下还在消耗功率的代表性器件就是设备的核心部件——SoC。

　　普通液晶电视具有两种待机模式：快速启动模式及低功耗模式。快速启动模式虽然能够缩短电视的启动时间，但必须对SoC等器件进行常时供电。在该模式下，那些最新的电视产品(40英寸)的功耗也要达到约15W。而低功耗模式会关断包括SoC在内的电子元器件的电源，所以功耗能够降到0.1W左右，但是，从电视再次启动到屏幕显示画面大概需要花费几秒钟的时间。对于无需显示的蓝光/DVD录像机来说，快速启动模式与低功耗模式下的功耗差主要是SoC的功耗，在普通产品里，差距约为6W。

　　NEC的技术不仅可以保持快速启动模式下的快速启动特性，还可以实现低功耗模式下的超低功耗。产品的待机功耗能够降低至目前的几十分之一，而处于低功耗模式下的设备也能实现快速启动。

　　今后，宽带将普及到更多的家庭，也就愈发需要既方便又环保的设备。

关断电源消除泄漏

　　随着制造工艺的持续发展，SoC中的泄漏电流也在不断增加。例如，在采用65nm工艺制造的SoC中，由晶体管泄漏电流引起的功耗占到总功耗的一半。为了抑制泄漏电流，业界开始采用被称为“电源门控”的方法，利用开关切断SoC内那些未处于工作状态的电路块的电源。这样的概念也被应用于逻辑电路，即将必要的数据存储在由低泄漏晶体管组成的保持触发器中，然后再关断电源。

　　但是，采用电源门控的方法后，就只能把SRAM内的数据转移到闪存等存储器中，否则SRAM内的数据就会丢失。此外，保持触发器的泄漏电流虽然很小，但仍然存在，而且，为了保存数据，还需要另外独立的电源，并且需要使用专用的EDA工具来设计芯片。

　　NEC开发的技术则通过使逻辑电路与嵌入式存储器都具有非易失性，从而使得数据在电源关断后仍得以保存。普通SoC内的逻辑电路由同步电路组成，具体来说，包括触发器(寄存器)与组合逻辑(见图1)。每个时钟周期，组合逻辑的输入及输出数据都不同，它们均存储在触发器中。如果电路中采用的是非易失性触发器，那么即使关断电源，电路内的数据也能够保存下来，当电源再次接通时，电路就可以从上次的状态开始继续工作。

图1 同步逻辑电路

　　实现非易失性触发器的方法之一是采用FRAM(铁电存储器)。当电源关断时，将必要的数据保存在铁电电容里；当电源再次接通时，再读出数据。通过关断整个SoC或各个电路块的电源，就可以将待机功耗降至零。

　　铁电器件的可擦写次数比闪存多得多。现在的开发重点是在芯片正常工作时，将铁电电容隔离在信号路径之外，这意味着非易失性触发器可以像传统的触发器一样工作，使工程师无需考虑铁电器件的劣化问题。

　　但是，如果将SoC内的嵌入式存储器也替换为FRAM，那么可擦写次数就会成为问题，必须进行适当的控制。此外，目前商用的铁电存储器的电源电压高达1.5V。有意见认为，从铁电器件的工作原理上来看，它们很难在1V及更低的电压下工作。

　　NEC的MFF技术采用MRAM，没有可擦写次数的限制。嵌入式存储器也可直接替换为MRAM。另外，由于MRAM采用电流驱动方式，所以能够在低电压下工作。

MRAM没有可擦写次数的限制

　　MRAM是采用磁性材料的存储器，其基本单元是TMR(隧道磁阻)单元，主要由两层磁性薄膜与一层绝缘膜组成，根据磁化方向的不同分别保存数据“0” 与“1”(见图2)。读出数据时利用了磁性材料的磁阻效应，即阻抗会随磁化方向而改变的原理。也就是说，可将TMR单元当作可变电阻器。