瑞萨电子高性能MCU赋能嵌入式存储器技术创新

你有没有注意到，过去十年里，从医疗设备到智能家居，物联网设备的数量几乎是以指数级增长的。这些智能互联的终端，早已不是简单的“开”与“关”，它们能跑复杂的计算密集型应用，实时控制回路、分析海量数据、集成复杂的图形界面，甚至通过高级协议与云端通信，样样不在话下。

机器学习更是为这些设备注入了灵魂。语音识别、视觉AI直接在边缘端运行，设备不需要每次决策都去云端“请示”，自己就能判断、触发动作。带来的好处显而易见：延迟更低、功耗更省、带宽更宽松，而且隐私保护也上了一个台阶。安全性也成了标配，片上加密加速器、强大的系统隔离、数据静态动态保护，一样都不能少。与此同时，用户对功耗和响应速度的要求也越来越苛刻——低功耗、快速唤醒，这直接关系到电池寿命和整机能效。

这些新兴需求，倒逼着嵌入式系统提升处理能力。而且，还得有可靠、低功耗的非易失性存储来支撑这些复杂应用。传统做法是，用功能强大的MPU或者多个MCU来分担任务。

但这几年情况变了。高性能多核MCU开始崭露头角，性能直逼MPU，有些甚至直接内置了硬件AI加速器，单颗芯片就能搞定以前需要多颗芯片才能对付的活儿。这些高性能MCU，对于功耗和成本敏感的物联网场景来说，简直是对MPU的强力替代。它们的优势很明显：实时性更好、电源管理更高效、非易失性存储器集成在内部、只需要单电压轨供电、功耗更低，而且上手门槛也低了不少。

一边要更高性能、更丰富功能，一边还要压低功耗和成本，这就推动着MCU往28纳米、22纳米这些更精细的制程节点走。但问题是，传统的嵌入式闪存在40纳米以下就很难再向下延伸了。于是，像磁阻随机存取存储器这样的新存储技术，就顺势被推到了台前，用来替代嵌入式闪存。台积电这样的主流代工厂，现在已经开始提供可集成到MCU中的嵌入式MRAM。

说到具体产品，瑞萨电子的RA8M2和RA8D2系列就是个不错的例子。它们采用Arm Cortex-M85和Cortex-M33内核，提供了超过7300 CoreMark的突破性性能，驱动复杂计算密集型应用毫无压力。基于22nm ULL工艺，这些MCU在CM85内核上性能最高能拉到1GHz，功耗却压得很低。再配上大容量片上存储器、高速连接外设、外部存储器接口和一组精心优化的外设，让它们成为计算密集型物联网和图形应用的理想选择。

值得注意的是，RA8M2和RA8D2集成了全新的嵌入式MRAM作为非易失性存储器。它的好处非常实在：高耐用性、数据长久保持、写入时无需擦除（速度更快），漏电流和制造成本也明显更低。为了真正把物联网应用“锁”住，这两款MCU还提供了先进的安全性、不可变内存和TrustZone。

双核MCU的性能与系统设计灵活性

单核版的RA8M2和RA8D2，用的是跑在1GHz的CM85内核，配合Helium矢量扩展，计算密集型任务手到擒来。双核版则多了一个CM33内核，用于实现高效的系统分区，并在低功耗下完成唤醒和日常运行。两个内核都可以灵活配置为主CPU或从CPU，独立供电也没问题。内核之间通过标志、中断和消息FIFO来沟通，配合默契。

图1：强大的CPU双核架构实现高效系统分区与任务隔离

双核架构带来的提升是实实在在的。更高的处理能力，加上两个内核之间高效的任务分区，实时性能得到了明显改善。系统任务可以拆开，分配给不同的内核，实现并行运行。比如，一个内核专门处理实时控制、传感器接口和通信；另一个性能更强的内核，则专心应对计算密集型任务——神经网络模型运算、音频或图像数据预处理、图形或电机控制。这种分工协作，让执行更快，系统的整体表现自然也更出色。

图 2：双核架构实现高效系统分区与任务隔离

通过优化任务分区，双核还在功耗上带来明显收益。每个内核可以独立选择最合适的运行频率。性能稍低的CM33内核可以充当“管家CPU”，始终低功耗待机；高性能内核大部分时间保持最低功耗状态，只在需要时才被唤醒。这种任务分离，让MCU资源用得恰到好处，系统整体功耗自然就降下来了。

双核还让系统设计更健壮。高计算任务可以和更关键的时间、安全任务以及实时控制回路隔离开，一个内核的中断不会影响到另一个内核的任务。甚至还能通过核心隔离、冗余设计，把安全关键任务和非关键任务分开，实现功能安全目标。

嵌入式MRAM的性能与能效

向更小制程的演进，为存储器技术打开了新的大门。MRAM正以嵌入式MRAM的形式进入嵌入式领域，RA8M2和RA8D2 MCU身上就有它的身影。

随着MCU制造商用更先进制程提升性能，eMRAM越来越多地取代嵌入式闪存，成为非易失性存储的首选。一个重要原因是，它具备抗回流焊数据保持能力——这意味着器件可以在焊接到电路板之前就完成预编程。另一个突出优势是字节可寻址性，这使得MRAM不仅能替代嵌入式闪存（存代码），还能替换SRAM（存数据），除非跨电源循环时需要保留数据。如今，主流硅代工厂都支持嵌入式MRAM，MCU制造商只需付出很小的成本开销，就能把MRAM集成到新芯片设计中。

不过，设计上需要留个心眼：MRAM怕外部强磁场。MCU制造商一般会给出空闲、断电和工作模式下的磁抗扰度指标。为了保险，设计者需要在外部磁场源和MRAM器件之间留足安全距离，别超过这个规格。用专用材料屏蔽MRAM，也是个不错的后备方案。

MRAM技术的主要优势

真正的随机存取非易失性存储器，与闪存相比耐用性和保留率更高；

写入速度更快，无需擦除；

字节可寻址，访问比闪存更便捷，特性接近SRAM，性能功耗双赢；

待机时无漏电流，功耗比SRAM显著降低；

非破坏性读取，无需刷新，所以也能替代DRAM；

磁层抗辐射，比很多存储技术都稳定；

生产所需的掩模层数比闪存少，成本因此更低；

可很好地扩展到更低的工艺节点，为嵌入式闪存提供了一个真正可行的替代方案。

MRAM应用

MRAM的低功耗和非易失性，让它在各种物联网应用中如鱼得水，可以作为统一存储器，替换嵌入式闪存、SRAM或电池供电的SRAM。需要高密度、低功耗和非易失性数据存储的数据记录应用，MRAM也能替代DRAM闪亮登场。抗辐射能力意味着它还能用在临床医疗设备和太空应用中。工业控制、机器人、数据中心、智能电网——在实时数据存储、快速数据检索和替换备用电池SRAM这些场景中，MRAM都大有可为。

当然，还有目前最火的使用机器学习的边缘AI市场。MRAM用来存储AI神经网络模型和权重，这些数据在电源循环中能完整保留，每次上电不需要重新加载。快速读写、低功耗、高耐用性——MRAM简直就是为这些需要高处理性能的应用量身定做的。

总的来说，新兴应用场景正在推动MCU向高性能和专用功能的方向进化。强大的CPU内核、多核架构、像MRAM这样的新存储技术，再加上丰富的外设集成，RA8M2和RA8D2 MCU恰好把这一切组合在了一起，去满足那些前沿应用对性能和功能的需求。