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NEC與日本東北大學(xué)的共同研發(fā)小組開發(fā)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(shù)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(fā)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(xué)教授、國際集成電子研發(fā)中心長遠(yuǎn)藤哲郎；日本東北大學(xué)教授、節(jié)能及自旋電子學(xué)集成化系統(tǒng)中心長大野英男；NEC綠色平臺研究所長中村祐一

試制的300mm晶圓

近年來，用于收集大數(shù)據(jù)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(xiàn)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并發(fā)送一次信息，電路的運轉(zhuǎn)率較低。因此，通過使電路實現(xiàn)非易失性，在待機(jī)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(nèi)核、A-D轉(zhuǎn)換器及乘法器等電路塊上采用由3端子型MTJ元件構(gòu)成的非易失性寄存器，即使切斷電源也能保持之前的狀態(tài)。另外，64KB混載存儲器也采用相同的MTJ元件，使MCU整體實現(xiàn)了非易失性。

削減無線傳感器終端用MCU的待機(jī)電力

MCU整體實現(xiàn)非易失性

研發(fā)小組主要開發(fā)了兩種電路技術(shù)。一種是控制各電路塊的開/關(guān)狀態(tài)的電源控制電路。這種電路的主要特點是，把恢復(fù)供電所需時間縮短到了約120ns。基于強(qiáng)介電體存儲器（FeRAM）的非易失性MCU的恢復(fù)供電所需時間約為400ns。另外，易失性MCU的恢復(fù)供電所需時間達(dá)到ms級。此次通過在非易失性寄存器上采用可高速、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(tǒng)一為1V，簡化了電源控制，由此縮短了恢復(fù)供電的時間。

電源控制電路技術(shù)

非易失性寄存器的寫入控制電路

另一項技術(shù)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只向非易失性寄存器寫入電源切斷前的狀態(tài)。另外，寫入前后的數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)率為0.1％的條件下工作時，耗電量只有易失性MCU的1/80。這樣一來，能將無線傳感器終端的電池續(xù)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(shù)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(chuàng)新園區(qū)的300mm試產(chǎn)線上將MTJ元件嵌入其中。芯片面積為4.79mm見方。芯片的設(shè)計組合使用了普通的EDA軟件和自主開發(fā)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(fā)能驗證非易失性的測試技術(shù)。計劃2017年前后實現(xiàn)實用化。（作者：木村 雅秀，日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）