在半导体工艺不断逼近物理极限的背景下,各种新型存储器技术推动着集成电路的创新发展。基于自旋转移矩的磁性随机存储器（Spin Transfer Torque-Based Magnetoresistive RAM,STT-MRAM）具有高访问速度,易于混合集成和高保留性等优势,使其有望成为主流芯片存储器。但STT-MRAM存在非对称写入、随机转换等问题,导致写入操作中的功耗延迟损失及存储器访存可靠性均与设计预期不符。本文提出基于CMOS工艺的电荷共享式高裕度灵敏放大器（Charge Share High Margin Sensing Amplifier,CSHM-SA）设计,通过电荷共享及交叉反馈机制,提高SA读取感知裕度。同时,首次将时序推测技术应用于新型非易失性存储器STT-MRAM设计中,并提出了一种时序推测同近似存储联合的优化技术。该方案通过两次写入操作,调整比特错误概率以适应不同场景,从而降低STT-MRAM的高写入功耗及延迟。最后,提出了一种基于交叉检测SA的有限域压缩技术,以减少ECC数据处理量,从而降低错误检查和纠正（Error Correcting Code,ECC）技术在面积、功耗上的应用代价。仿真结果表明,基于SMIC 14nm Fin FET工艺,CSHM-SA读取成功率提高9%以上。SMIC 28nm工艺下,时序推测写入技术的延迟和能量损耗分别降低56.25%及56.18%以上。同时,基于前道华力28nm HKMG CMOS工艺及后道70nm驰拓磁隧道结工艺,完成了ECC两位纠错、容量为2048×44的MRAM设计。相对于传统纠错方式,本文ECC方案在面积和功耗上的收益分别提升了20%和25%。本文针对STT-MRAM高写入功耗、延迟及低访存可靠性,通过器件、电路协同设计提出了CSHM-SA电路、时序推测写入方案以及ECC有限域压缩技术,并通过模拟仿真、具体IP及图像处理应用场景下中实现高访存可靠性及低功耗写入的目标。