日本开发出传感器终端用非易失性MCU，耗电量可降至1/80

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NEC与日本东北大学的共同研发小组开发出了耗电量可降至原来的1/80的无线传感器终端用非易失性MCU。技术详情将在“International Solid-State Circuits Conference（ISSCC）2014”（2014年2月9～13日，美国旧金山）上发表［演讲序号：10.5］，演讲题目为“A 90nm 20MHz Fully Nonvolatile Microcontroller for Standby-Power-Critical Applications”。

左起依次为日本东北大学教授、国际集成电子研发中心长远藤哲郎；日本东北大学教授、节能及自旋电子学集成化系统中心长大野英男；NEC绿色平台研究所长中村祐一

试制的300mm晶圆

近年来，用于收集大数据的无线传感器终端的重要性越来越高。无线传感器终端要求实现小型化和轻量化，可配备的电池容量较小。因此，必须要降低电路的功耗，减少电池的更换频率。无线传感器终端通常都是间歇性工作，每隔一定的时间检测并发送一次信息，电路的运转率较低。因此，通过使电路实现非易失性，在待机时切断电源，有望大幅削减耗电量。

此次试制的16位非易失性MCU在CPU内核、A-D转换器及乘法器等电路块上采用由3端子型MTJ元件构成的非易失性寄存器，即使切断电源也能保持之前的状态。另外，64KB混载存储器也采用相同的MTJ元件，使MCU整体实现了非易失性。

削减无线传感器终端用MCU的待机电力

MCU整体实现非易失性

研发小组主要开发了两种电路技术。一种是控制各电路块的开/关状态的电源控制电路。这种电路的主要特点是，把恢复供电所需时间缩短到了约120ns。基于强介电体存储器（FeRAM）的非易失性MCU的恢复供电所需时间约为400ns。另外，易失性MCU的恢复供电所需时间达到ms级。此次通过在非易失性寄存器上采用可高速、低电压工作的MTJ元件，成功把逻辑电路和非易失性寄存器的电源统一为1V，简化了电源控制，由此缩短了恢复供电的时间。

电源控制电路技术

非易失性寄存器的写入控制电路

另一项技术是控制向非易失性寄存器写入的电路。该电路可控制各电路块只向非易失性寄存器写入电源切断前的状态。另外，写入前后的数据相同时，通过取消覆盖处理，把向非易失性寄存器写入的次数降到了最低。通过这样的控制，削减了向非易失性寄存器写入数据所需的电力。

试制的芯片

耗电量降至1/80

此次的非易失性MCU在时钟频率为20MHz、运转率为0.1％的条件下工作时，耗电量只有易失性MCU的1/80。这样一来，能将无线传感器终端的电池续航时间延长至原来的约10倍。

试制芯片利用的是90nm工艺CMOS技术和3端子型MTJ工艺。90nm工艺CMOS晶圆由瑞萨电子制造，然后在筑波创新园区的300mm试产线上将MTJ元件嵌入其中。芯片面积为4.79mm见方。芯片的设计组合使用了普通的EDA软件和自主开发的软件。另外，此次测试使用的是普通的测试仪，不过，今后实用化时要开发能验证非易失性的测试技术。计划2017年前后实现实用化。（作者：木村 雅秀，日经技术在线！供稿）