日本開發出傳感器終端用非易失性MCU，耗電量可降至1/80

【新聞鏈接】

鬆下熱電轉換元件新制法，單位面積發電量升至4倍

瑞薩中國區掌門人緹敏之：今后的核心是汽車和工業半導體

“隻要摸得著”，就用觸摸板（下）

劍橋大學查明鋰電池使用硅納米線負極實現高容量的反應機理

“隻要摸得著”，就用觸摸板（中）

NEC與日本東北大學的共同研發小組開發出了耗電量可降至原來的1/80的無線傳感器終端用非易失性MCU。技術詳情將在“International Solid-State Circuits Conference（ISSCC）2014”（2014年2月9∼13日，美國舊金山）上發表﹝演講序號：10.5﹞，演講題目為“A 90nm 20MHz Fully Nonvolatile Microcontroller for Standby-Power-Critical Applications”。

左起依次為日本東北大學教授、國際集成電子研發中心長遠藤哲郎﹔日本東北大學教授、節能及自旋電子學集成化系統中心長大野英男﹔NEC綠色平台研究所長中村祐一

試制的300mm晶圓

近年來，用於收集大數據的無線傳感器終端的重要性越來越高。無線傳感器終端要求實現小型化和輕量化，可配備的電池容量較小。因此，必須要降低電路的功耗，減少電池的更換頻率。無線傳感器終端通常都是間歇性工作，每隔一定的時間檢測並發送一次信息，電路的運轉率較低。因此，通過使電路實現非易失性，在待機時切斷電源，有望大幅削減耗電量。

此次試制的16位非易失性MCU在CPU內核、A-D轉換器及乘法器等電路塊上採用由3端子型MTJ元件構成的非易失性寄存器，即使切斷電源也能保持之前的狀態。另外，64KB混載存儲器也採用相同的MTJ元件，使MCU整體實現了非易失性。

削減無線傳感器終端用MCU的待機電力

MCU整體實現非易失性

研發小組主要開發了兩種電路技術。一種是控制各電路塊的開/關狀態的電源控制電路。這種電路的主要特點是，把恢復供電所需時間縮短到了約120ns。基於強介電體存儲器（FeRAM）的非易失性MCU的恢復供電所需時間約為400ns。另外，易失性MCU的恢復供電所需時間達到ms級。此次通過在非易失性寄存器上採用可高速、低電壓工作的MTJ元件，成功把邏輯電路和非易失性寄存器的電源統一為1V，簡化了電源控制，由此縮短了恢復供電的時間。

電源控制電路技術

非易失性寄存器的寫入控制電路

另一項技術是控制向非易失性寄存器寫入的電路。該電路可控制各電路塊隻向非易失性寄存器寫入電源切斷前的狀態。另外，寫入前后的數據相同時，通過取消覆蓋處理，把向非易失性寄存器寫入的次數降到了最低。通過這樣的控制，削減了向非易失性寄存器寫入數據所需的電力。

試制的芯片

耗電量降至1/80

此次的非易失性MCU在時鐘頻率為20MHz、運轉率為0.1％的條件下工作時，耗電量隻有易失性MCU的1/80。這樣一來，能將無線傳感器終端的電池續航時間延長至原來的約10倍。

試制芯片利用的是90nm工藝CMOS技術和3端子型MTJ工藝。90nm工藝CMOS晶圓由瑞薩電子制造，然后在筑波創新園區的300mm試產線上將MTJ元件嵌入其中。芯片面積為4.79mm見方。芯片的設計組合使用了普通的EDA軟件和自主開發的軟件。另外，此次測試使用的是普通的測試儀，不過，今后實用化時要開發能驗証非易失性的測試技術。計劃2017年前后實現實用化。（作者：木村 雅秀，日經技術在線！供稿）