JSSC 2024第4期Power Management22nmEmerging Memory

A 22-nm 32-Mb Embedded STT-MRAM Macro Achieving 59-ns Random Read Access and 74-

22纳米32Mb嵌入式STT-MRAM宏，实现59ns随机读取和74%写入能耗降低。

22nm CMOS, 59ns随机读取, 7.4MB/s写入吞吐量

STT-MRAM嵌入式存储器感应放大器写入能耗微控制器单元

▸高精度感应放大器技术（BCC-SA）：采用升压交叉耦合感应放大器设计，在125°C和150°C下分别实现5.1ns和5.9ns的随机读取延迟，显著提升高温环境下的读取速度与稳定性。

▸快速写入方案（VPBW-FVS）：通过可变并行位写入与快速电压建立技术，实现7.4MB/s的写入吞吐量，并结合写入电压常开模式（WV AO）降低73%的写入能耗，优化了能效比。

▸一次性可编程存储单元读取技术（SOC-VC）：利用可变电流稳定操作条件的技术，使感应放大器可同时支持MRAM-based OTP和MRAM单元读取模式，扩展了存储器的功能性。

▸系统级能效优化：整合上述技术，在22nm工艺的32Mb嵌入式STT-MRAM宏中实现59ns随机读取访问，同时兼顾高速写入与低功耗特性，为高端MCU提供高可靠性存储解决方案。

Abstract

This article presents a high-precision sense amplifier technique, a fast write scheme, and a one-time-programmable (OTP) memory cell read technique applied to a 22-nm 32-Mb embedded STT-MRAM (eMRAM) macro for high-end microcon- troller units (MCUs). A boosted cross-coupled sense amplifier (BCC-SA) achieves 5.1- and 5.9-ns random read access at 125 ◦C and 150 ◦C, respectively. A variable parallel bit write (VPBW) with a fast voltage setup (VPBW-FVS) scheme and write voltage always on (WV AO) mode