嵌入式Flash的邊界是什么，有何作用？

多年來，嵌入式非易失性閃存在芯片中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，但該技術(shù)正面臨著擴(kuò)展性和成本障礙。

嵌入式閃存可用于多個(gè)市場(chǎng)，如汽車，消費(fèi)和工業(yè)。其中，汽車行業(yè)更為關(guān)心該技術(shù)的未來。通常而言，汽車中會(huì)包含許多微控制器（MCUs），用于執(zhí)行芯片處理功能。而MCUs也會(huì)集成基于NOR技術(shù)的嵌入式非易失性閃存，用于處理代碼存儲(chǔ)。但是也并不是所有的MCUs或處理器都包含嵌入式閃存。

現(xiàn)如今，基于40nm及以上工藝嵌入式閃存的MCUs廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)中。另一方面，業(yè)界也在加速28nm工藝MCUs研發(fā)，用于儀表組，動(dòng)力傳動(dòng)系和車輛的其他部件。預(yù)計(jì)汽車制造商將在未來幾年內(nèi)使用基于28nm及以上工藝的MCUs。

盡管如此，OEMs仍在權(quán)衡下一代產(chǎn)品，這也是他們面臨一些潛在障礙的地方。簡(jiǎn)而言之，隨著制程從40nm進(jìn)展到28nm，NOR Flash已經(jīng)出現(xiàn)各種各樣的問題，更別提28nm以上工藝。對(duì)此，Objective Analysis分析師Jim Handy表示：“現(xiàn)在很多微處理器仍采用130nm或以上工藝，這也都非常適合嵌入式NOR應(yīng)用，小于28nm的NOR工藝還沒有足夠的推動(dòng)力?！?/p>

為了解決這一難題，相關(guān)企業(yè)也在研發(fā)相應(yīng)解決方案。但是快速增長(zhǎng)的輔助駕駛和自動(dòng)駕駛，正推動(dòng)企業(yè)加快研發(fā)進(jìn)程。主要以下幾方面：

嵌入式閃存將擴(kuò)展到28nm，甚至可能達(dá)到22nm。一些人正在努力將該技術(shù)擴(kuò)展到16nm / 14nm，盡管許多人認(rèn)為它將在28nm/22nm處碰壁。

如果嵌入式閃存失去動(dòng)力，OEM廠商可能會(huì)將代碼存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移到獨(dú)立的NOR設(shè)備上。因此，OEM廠商需要一個(gè)雙芯片解決方案，包括一個(gè)MCU和一個(gè)NOR設(shè)備。

如果不采用雙芯片解決方案，OEM廠商可以將獨(dú)立的MCU和NOR器件封裝在一個(gè)設(shè)備中。

MRAM是下一代存儲(chǔ)器類型，被認(rèn)為是嵌入式閃存和緩存應(yīng)用的替代品。MRAM可用于消費(fèi)類應(yīng)用，但目前還不清楚它是否能夠滿足汽車領(lǐng)域溫度要求。為此，也有人認(rèn)為MRAM永遠(yuǎn)不會(huì)在汽車行業(yè)應(yīng)用。

可以肯定的是，汽車與大多數(shù)應(yīng)用市場(chǎng)不同。在商業(yè)領(lǐng)域，對(duì)芯片缺陷的溫度范圍具有一定的容忍度。但是在汽車芯片中，不存在缺陷或故障的容忍度。此外，還有嚴(yán)格的溫度規(guī)格。

汽車芯片需求增長(zhǎng)

盡管如此，汽車芯片市場(chǎng)仍然很火爆。根據(jù)IHS的數(shù)據(jù)，平均每輛汽車的電子產(chǎn)品需求預(yù)計(jì)將從2013年的312美元攀升至2022年的460美元。根據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2018年汽車IC市場(chǎng)總量將達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的323億美元，比2017年增長(zhǎng)18.5％。據(jù)該公司稱，在汽車領(lǐng)域，模擬器件市場(chǎng)占據(jù)最大市場(chǎng)份額45％，其次是MCUs占23％。

圖1 全球汽車IC市場(chǎng)增長(zhǎng)情況（數(shù)據(jù)來源IC Insights）

這只是故事的一部分，特別是對(duì)于MCUs?！坝糜诃h(huán)境感知的傳感器和MCUs的部署，對(duì)嵌入式閃存的需求在設(shè)備數(shù)量和內(nèi)存密度方面都在增加，”聯(lián)華電子產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)David Hideo Uriu表示：“傳感器和傳感器增列的部署，將增加嵌入式閃存MCUs和ASICs需求，用于輔助駕駛、負(fù)載相關(guān)傳感及信息娛樂等?！?/p>

入門級(jí)汽車包含大約20個(gè)MCUs。根據(jù)英飛凌和Strategy Analytics的數(shù)據(jù)，中端車型具有60個(gè)MCUs，豪華車型有110個(gè)。2016年德國(guó)豪華車型擁有大約25個(gè)32位MCUs，其余的則是8位和16位芯片。

MCUs采用嵌入式閃存，基于EEPROM或NOR。兩者都提供代碼存儲(chǔ)，可以啟動(dòng)設(shè)備并允許它運(yùn)行程序。Objective Analysis的Handy認(rèn)為：“EEPROM和NOR之間的區(qū)別在于每位單元一個(gè)晶體管（NOR）或兩個(gè)晶體管（EEPROM）。”

除了MCUs，汽車制造商還使用獨(dú)立的NOR設(shè)備，也有不同的架構(gòu)類型。例如，Silicon Storage Technology（SST）提供基于浮柵技術(shù)的嵌入式閃存。在浮柵架構(gòu)中，電荷存儲(chǔ)在柵極中。此外，賽普拉斯和瑞薩提供基于電荷陷阱技術(shù)的MCUs，其中電荷存儲(chǔ)在堆棧的氮化物層中。另一方面，恩智浦和英飛凌也推出了采用不同嵌入式技術(shù)的MCUs。

當(dāng)然，汽車還包含其他存儲(chǔ)器類型，例如DRAM和NAND。Semico Research總裁Jim Feldhan認(rèn)為：“2017年，每輛車的平均內(nèi)存總量為21美元。這個(gè)數(shù)字通過2017年汽車內(nèi)存總銷售量除以汽車總銷售量求得，這只考慮了不包括嵌入式內(nèi)存的獨(dú)立內(nèi)存?！?/p>

“每輛車的內(nèi)存含量從非常小的數(shù)量變化到多達(dá)8GB的DRAM和8GB的NAND，用于L1和L2車輛，”Feldhan表示：“現(xiàn)在，配備自動(dòng)駕駛功能的汽車數(shù)量還很少。但是自動(dòng)駕駛應(yīng)用正在增長(zhǎng)，從而帶動(dòng)了對(duì)所有類型內(nèi)存的需求。到2021年，擁有L3自動(dòng)化功能的汽車將需要16GB DRAM和256GB NAND。到2025年，全自動(dòng)汽車（L5）預(yù)計(jì)將需要74GB DRAM和1TB NAND?！?/p>

在此情況下，所有汽車芯片供應(yīng)商都面臨著挑戰(zhàn)?！澳悴荒茏屃慵?，因?yàn)樗鼤?huì)影響安全性，”KLA-Tencor營(yíng)銷高級(jí)主管Robert Cappel認(rèn)為：“除了質(zhì)量和產(chǎn)量之外，還需要關(guān)注潛在的可靠性缺陷，這些隨著時(shí)間推移也會(huì)帶來安全問題。由此可見，要求正在發(fā)生變化。”

新的選擇出現(xiàn)

同時(shí)，在車輛中MCUs可用于稱為電子控制單元（ECUs）的嵌入式計(jì)算機(jī)中。ECUs控制著車輛中的各個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域通過網(wǎng)絡(luò)連接。ECUs還包含其他類型的芯片，例如處理器和片上系統(tǒng)（SoC），具體取決于應(yīng)用。

通常我們將汽車劃分為五個(gè)領(lǐng)域 - 車身、通信、安全、信息娛樂和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。車身部分包括車門、車燈和車窗控制。通信則包括蜂窩、WiFi和相關(guān)功能。安全包括攝像頭和雷達(dá)。信息娛樂涉及駕駛員信息和娛樂。動(dòng)力總成包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制和變速箱。

圖2 半導(dǎo)體在汽車領(lǐng)域應(yīng)用（來源UMC）

每個(gè)領(lǐng)域都有不同的要求。例如，安全方面可能會(huì)使用沒有嵌入式閃存的高端處理器。相反，OEMs會(huì)使用外部NOR芯片。

“目前有三種汽車應(yīng)用包括車身、儀表板和動(dòng)力總成，使用了嵌入式閃存MCUs。所有這些應(yīng)用都使用28nm/40nm或更大節(jié)點(diǎn)的嵌入式閃存MCUs，”賽普拉斯存儲(chǔ)器產(chǎn)品部執(zhí)行副總裁Sam Geha解釋道。

圖3 汽車領(lǐng)域?qū)τ诠杵骷枨螅▉碓碪MC）

例如，瑞薩公司最近推出了業(yè)界首款采用嵌入式閃存的28nm MCU。該產(chǎn)品包含多達(dá)六個(gè)400 MHz CPU內(nèi)核和最多16兆字節(jié)的嵌入式閃存。該MCU適用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力總成以及電機(jī)控制功能。

通常認(rèn)為，40nm和28nm預(yù)計(jì)將成為汽車中MCUs的長(zhǎng)期運(yùn)行節(jié)點(diǎn)。盡管如此，瑞薩和其他公司仍然認(rèn)為需要超過28納米的MCUs并已經(jīng)有多種方案。

一種選擇是擴(kuò)展嵌入式閃存。在2016年IEDM的一篇論文中，瑞薩為16nm/14nm的finFET描述了一種嵌入式閃存技術(shù)。使用其現(xiàn)有的電荷陷阱方案，該技術(shù)證明了150攝氏度的數(shù)據(jù)保留率。但有個(gè)問題，它將在2023年才會(huì)出現(xiàn)。

在28nm及以上，嵌入式閃存通常是平面狀結(jié)構(gòu)。相比之下，瑞薩的16nm/14nm嵌入式閃存位于垂直方向。隨著高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)等汽車自動(dòng)化方面的進(jìn)步以及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)連接的智能社會(huì)的發(fā)展，產(chǎn)生了使用更精細(xì)制程技術(shù)裝配先進(jìn)MCU的需求。為滿足這一需求，瑞薩電子開發(fā)了基于16/14納米技術(shù)的嵌入式閃存，成功替代了目前最新的40/28納米技術(shù)。在16/14納米邏輯制程中，一種采用鰭狀結(jié)構(gòu)的晶體管——鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)，被廣泛用于提高性能和降低功耗，以克服傳統(tǒng)平面晶體管的擴(kuò)展限制。

圖4 瑞薩28nm嵌入式閃存單元截面圖（來源IEEE）

圖5 瑞薩16nm/14nm嵌入式閃存單元截面圖（來源Renesas）

然后，在2017年IEDM的一篇論文中，瑞薩展示了有關(guān)其技術(shù)的更多細(xì)節(jié)，稱為FinFET SG-MONOS陣列。“FinFET SG-MONOS陣列已成功運(yùn)行于多個(gè)項(xiàng)目，具有足夠?qū)挼牟脸翱凇比鹚_研究員Shibun Tsuda在論文中表示。

通常而言，擴(kuò)展NOR是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。NOR在縮小漏極電壓、柵極長(zhǎng)度和隧道氧化物方面都面臨一些問題。

現(xiàn)階段領(lǐng)先的獨(dú)立NOR器件是45nm產(chǎn)品，并正在研發(fā)32nm/28nm相關(guān)產(chǎn)品?！半m然我們的MirrorBit技術(shù)（賽普拉斯的NOR電池技術(shù)術(shù)語(yǔ)）已被證明能夠在28nm/32nm節(jié)點(diǎn)上工作，但我們預(yù)計(jì)不會(huì)在短期內(nèi)轉(zhuǎn)向該節(jié)點(diǎn)。擴(kuò)展NOR超過28nm是非常困難的，不會(huì)提供投資回報(bào)率”Geha認(rèn)為。

在嵌入式閃存中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要更多掩模，從而增加了成本。“添加嵌入式閃存非常昂貴，”Geha表示：“在40nm，你通常需要在CMOS上增加8到12或13個(gè)額外的掩模才能添加嵌入式閃存。在28nm，這一數(shù)字將變成9到18個(gè)。”

所以今天，嵌入式閃存可擴(kuò)展到28nm，但價(jià)格昂貴。繼28nm之后，OEMs正在開發(fā)22nm工藝。因此，嵌入式閃存的下一步是22nm，這是28nm的縮放版本。超過22nm，有幾種選擇。一個(gè)想法是模仿NAND類似結(jié)構(gòu)。正因?yàn)镻lanar NAND在1xnm節(jié)點(diǎn)上嶄露頭角，促使業(yè)界開發(fā)3D NAND。在3D NAND中，存儲(chǔ)器單元彼此堆疊以擴(kuò)展技術(shù)。業(yè)界正在探索與NOR類似的想法，但目前還不清楚是否會(huì)發(fā)生所謂的3D NOR。

可以肯定的是，有更多可行的選擇。業(yè)界正在開發(fā)16nm/14nm及以上的MCUs。如果嵌入式閃存無法擴(kuò)展，那么OEMs將使用沒有嵌入式閃存的MCU。所以他們會(huì)在電路板上使用外部NOR器件，需要兩個(gè)芯片而不是一個(gè)芯片。通常，雙芯片解決方案提供了一些靈活性，使OEMs能夠使用來自多個(gè)供應(yīng)商的芯片。但是這種方法也會(huì)占用電路板空間并消耗更多功率，并且會(huì)增加一些潛在的延遲和安全問題。

另一種選擇是將獨(dú)立MCU和NOR器件集成在系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）中。SiP需要不同的供應(yīng)鏈。例如，MCU供應(yīng)商會(huì)購(gòu)買NOR器件并將其封裝在SiP中。

“在一個(gè)封裝中，還需要能夠承受高溫，”賽普拉斯的Geha表示：“芯片溫度為125攝氏度，壓模溫度為150攝氏度。二者封裝在一起，溫度將提升15攝氏度”。

隨著時(shí)間的推移，OEMs將使用雙芯片和SiP方案?！巴ǔ?，對(duì)于嵌入式閃存，您希望它比通過外部接口更快，這一點(diǎn)還需要進(jìn)行優(yōu)化，”賽普拉斯閃存業(yè)務(wù)部副總裁兼總經(jīng)理Rainer Hoehler說道：“同時(shí)還需要考慮功耗問題、安全及成本問題。”

除此之外，MRAM是另一種選擇。業(yè)界正在開發(fā)稱為“自旋轉(zhuǎn)移力矩磁性隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)（STT-MRAM）”的下一代MRAM技術(shù)。 STT-MRAM利用電子自旋的磁性在芯片中提供非揮發(fā)性特性。它結(jié)合了SRAM的速度和閃存的非易失性，幾乎無限的耐用性。在傳統(tǒng)存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為電荷。相反，MRAM使用磁隧道結(jié)存儲(chǔ)單元作為存儲(chǔ)元件。

圖6 自旋轉(zhuǎn)移力矩MRAM技術(shù)（來源Everspin）

制作STT-MRAM是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過程。其他下一代存儲(chǔ)器類型（如相變）也是如此?！八鼈儼怀Ｓ糜跇?biāo)準(zhǔn)CMOS產(chǎn)品的材料，”Lam Research的高級(jí)技術(shù)總監(jiān)Alex Yoon在博客中說：“MRAM材料往往會(huì)產(chǎn)生非揮發(fā)性副產(chǎn)品，最終會(huì)沉積在整個(gè)晶圓上，造成短路并導(dǎo)致錐形電堆疊?！?/p>

目前，STT-MRAM芯片主要用于固態(tài)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器。在這個(gè)應(yīng)用程序中，溫度要求不那么嚴(yán)格。汽車應(yīng)用則不同?！叭魏斡糜谄嘙CUs的新興非易失性存儲(chǔ)器都必須通過嚴(yán)格的可靠性規(guī)范。它必須滿足焊接回流要求，高可靠性和超過20年的保質(zhì)期，”UMC公司的Uriu表示：“汽車應(yīng)用需要125°，0級(jí)需要150°。我們認(rèn)為150°是可能的（使用STT-MRAM），但需要開發(fā)資源來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/p>

現(xiàn)階段，STT-MRAM的溫度規(guī)格范圍為85°至105°C，低于汽車的要求。業(yè)界正在研究STT-MRAM的更高溫度規(guī)格，但仍在進(jìn)行中。

“MRAM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以修改技術(shù)并在諸如溫度曲線、如何支持高溫環(huán)境以及設(shè)備操作速度之間進(jìn)行權(quán)衡，” Global Foundries嵌入式內(nèi)存高級(jí)主管Martin Mason認(rèn)為：“我們將（嵌入式MRAM）技術(shù)應(yīng)用于22nm。然后，許多客戶希望該設(shè)備解決回流曲線。以使焊料回流曲線在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)達(dá)到250°、260°或更高的高溫。其中一個(gè)問題是，當(dāng)我們這樣做時(shí)，設(shè)備仍然可靠。這個(gè)問題已經(jīng)解決了。”

然而，有些人不那么樂觀，至少對(duì)于汽車應(yīng)用而言?！拔易约涸贛RAM工作過，”賽普拉斯的Geha表示：“MRAM在高溫下不起作用。無論人們?cè)噲D聲稱什么，它都有問題。它是一種基于磁性的結(jié)構(gòu)。一旦遇到高溫，磁性能就會(huì)變差。它可能適用于某些消費(fèi)者的東西。它永遠(yuǎn)不會(huì)在高溫下工作。電阻RAM更糟糕。電阻式RAM適用于消費(fèi)者，但它們甚至無法達(dá)到工業(yè)級(jí)別。”

其他人的觀點(diǎn)略有不同?！癝TT-MRAM正在取得良好進(jìn)展，它在某些應(yīng)用市場(chǎng)上占有一席之地，例如L3/L4緩存或NVSRAM應(yīng)用，”SST營(yíng)銷總監(jiān)Vipin Tiwari表示：“但是，我沒有看到MRAM作為嵌入式閃存的替代品，因?yàn)樗鼰o法實(shí)現(xiàn)嵌入式閃存今天所能做的事情，這是對(duì)故障機(jī)制、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、磁免疫力、耐久性、快速讀取性能等的綜合要求?！?/p>

“28nm（平面）和14/16nm（finFET）技術(shù)之間存在巨大的成本差異，因此采用存在一定的成本障礙。此外，14/16nm finFET技術(shù)的嵌入式閃存集成將比以前的節(jié)點(diǎn)更具挑戰(zhàn)性，因此我認(rèn)為嵌入式閃存開發(fā)過程比以前的節(jié)點(diǎn)將花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。假設(shè)采用14/16nm技術(shù)的嵌入式閃存平臺(tái)可以在2022年獲得認(rèn)證，我們可以預(yù)期在2026年推出基于14/16nm的汽車MCUs。盡管如此，14/16nm汽車MCU有可能使用晶圓或封裝級(jí)集成整合經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證的28nm嵌入式閃存作為獨(dú)立芯片。在那種情況下，可以看到14/16nm MCU將早于2026年應(yīng)用”Tiwari認(rèn)為。

MRAM是最終歸宿？

如上所述，一些應(yīng)用領(lǐng)域使用具有嵌入式閃存的MCUs。其他領(lǐng)域不使用MCUs。相反，它們包含更高端的應(yīng)用處理器和SoC。這些設(shè)備用于各種領(lǐng)域，例如高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和高端信息娛樂系統(tǒng)。

圖7 儀表系統(tǒng)圖集（來自Cypress）

這些處理器不集成嵌入式閃存。相反，OEMs會(huì)在電路板上使用外部NOR器件。處理器和NOR設(shè)備通過總線進(jìn)行通信。處理器將SRAM存儲(chǔ)器集成到緩存中。SRAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和常用指令。SRAM速度很快，但它很大并且消耗功率。

這就是嵌入式STT-MRAM適合緩存的地方?！皩?duì)于MRAM，由于位單元比SRAM位單元小得多，你可以在芯片上放置大量的MRAM，” Objective Analysis公司Handy認(rèn)為。

這將減少空間和成本。“隨著時(shí)間的推移，有些人會(huì)將MRAM視為嵌入式閃存的替代品。但這不是我們關(guān)注的地方。我們認(rèn)為這是一個(gè)非易失性SRAM的機(jī)會(huì)，”恩智浦應(yīng)用處理器副總裁Ron Martino表示。

恩智浦提供了基于三星28nm FD-SOI工藝的應(yīng)用處理器。該設(shè)備針對(duì)信息娛樂系統(tǒng)和儀表板，集成了SRAM和其他組件。

圖8 另一個(gè)儀表集群圖（來源NXP）

將來，處理器將采用嵌入式MRAM?！爱?dāng)將MRAM與FD-SOI相結(jié)合時(shí)，我們會(huì)看到許多應(yīng)用，”Martino認(rèn)為：“它不會(huì)是SRAM的替代品。但它將是互補(bǔ)的，你可以引入MRAM來創(chuàng)建針對(duì)更高性能的非易失性RAM模塊?！?/p>

但STT-MRAM是否會(huì)滿足汽車的溫度規(guī)格？“MRAM技術(shù)在該行業(yè)中的地位首先集中在將其用于較低溫度的制造中。那將是85或105攝氏度的溫度范圍。然后，下一階段將達(dá)到125攝氏度，” Martino 表示：“第一批受益于嵌入式MRAM的應(yīng)用將成為消費(fèi)者和工業(yè)用戶。然后，你會(huì)看到MRAM隨著時(shí)間的推移在汽車中使用?！?/p>

可以肯定的是，汽車制造商很保守。除非符合規(guī)范，否則它們不會(huì)移動(dòng)到新的內(nèi)存類型。與此同時(shí)，OEMs將盡可能擴(kuò)展今天的嵌入式閃存。然后，當(dāng)它耗盡之時(shí)，OEMs必須在高風(fēng)險(xiǎn)汽車市場(chǎng)上做出正確的選擇。