關于嵌入式閃存的一些詳細知識解析

多年來，汽車行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新一直推動著半導體行業(yè)的發(fā)展。根據(jù)IHS的數(shù)據(jù)可知，汽車半導體市場的年收入已經超過300億美元，而隨著ADAS的增加、燃油效率的提高以及便利性的提升，這一數(shù)字還將不斷上升。目前，每輛豪華車內部半導體元件的總價值約為1000美元，而中檔車內部半導體元件的總價值約為350美元，汽車MCU是其中的重要組成部分。大多數(shù)汽車MCU具有片上嵌入式閃存，其中包含復雜而詳盡的指令代碼。盡管基于多晶硅浮柵的嵌入式閃存廣泛部署在汽車、工業(yè)和消費類應用領域的一系列產品中，并且是非易失性存儲器技術的典范，但關于嵌入式閃存技術仍有一些錯誤的觀念，這正是我想要努力澄清的。

嵌入式閃存解決方案可以節(jié)省時間和金錢

大多數(shù)時候都是一分價錢一分貨。從表面上來看，與基于電荷陷阱的解決方案（如SONOS）相比，多晶硅浮柵嵌入式閃存解決方案似乎更為昂貴，這是因為與基于電荷陷阱的嵌入式非易失性存儲器解決方案相比，多晶硅浮柵嵌入式閃存通常需要更多的屏蔽步驟。然而，芯片設計人員應該仔細考慮非易失性解決方案的總成本，包括潛在的產量損失、由于現(xiàn)場返貨造成的損耗、長期數(shù)據(jù)保留、包括ECC和所需冗余電路在內的總芯片尺寸以及生產時間。此外，基于電荷陷阱的解決方案不適用于高溫和高耐用性應用，因此如果非易失性存儲器平臺需要滿足一系列低端和高端應用的需求，則更需要可滿足所有應用需求的非易失性存儲器解決方案，這些應用對電壓、工作溫度，數(shù)據(jù)保留和耐用性的要求有所不同。為一個技術節(jié)點應用多個非易失性平臺比應用可靠的基于多晶硅浮柵的非易失性存儲器解決方案要貴得多。

差異化的多晶硅浮柵嵌入式閃存

多年來，大多數(shù)IDM都在為需要嵌入式閃存的應用使用類似的1T多晶硅浮柵堆疊解決方案。在過去二十年間，創(chuàng)新型分離柵極SuperFlash?技術憑借其差異化且高效的多晶硅間擦除和源極注入編程存儲單元，不斷推動行業(yè)向前發(fā)展。

圖1第1代嵌入式SuperFlash（ESF1）

這里來插播一下閃存最最基本的位單元存儲結構和工作原理，請看下面三圖。

嵌入式閃存的低工作電壓特性使其非常適用于IoT應用

IoT應用需要低電壓讀/寫操作。即使編程/擦除操作需要高電壓，該過程對用戶來說也是透明的，這是因為閃存宏從用戶接收內核/IO電壓并使用內部電荷泵將其升高到編程和擦除操作所需的高電壓。因此，可以立即將嵌入式閃存用于低功耗IoT應用。

嵌入式閃存支持EEPROM功能

傳統(tǒng)的EEPROM架構支持字節(jié)寫操作，因而常常被需要頻繁更新數(shù)據(jù)的應用程序所用。通常，嵌入式閃存是按一定規(guī)則排列的一組存儲單元，又稱為扇區(qū)。扇區(qū)需要在寫入新數(shù)據(jù)前完全擦除。幸運的是，我們可以使用SRAM緩沖器在整個嵌入式閃存區(qū)的一小部分上模擬EEPROM功能，既簡單并且對用戶透明。

這經常讓人們誤認為嵌入式閃存不能滿足EEPROM耐用性要求。然而，EEPROM的耐擦寫次數(shù)通?？蛇_到100萬次。過去，大多數(shù)MCU和智能卡應用所要求的耐擦寫次數(shù)均低于10萬次，但近來諸如SIM卡等應用的要求越發(fā)嚴格，耐擦寫次數(shù)需達到50萬次（典型值）。為了支持這一要求，我們通過第三代SuperFlash技術（ESF3）提供比前兩代技術更好的耐擦寫特性，并且大量的數(shù)據(jù)顯示，第三代技術能夠滿足這些應用所要求的50萬次耐擦寫次數(shù)。

圖2 第3代嵌入式SuperFlash（ESF3）

嵌入式閃存是可以擴展的

十年以前，紛紛流傳嵌入式閃存無法突破90nm以下節(jié)點，理由是存儲單元擴展面臨諸多困難和挑戰(zhàn)?？扇缃袂度胧介W存已發(fā)展到28nm級，因此證明上述看法是錯誤的?，F(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是將嵌入式閃存邁入FinFet工藝時代。不過，諸如Samsung和GLOBALFOUNDRIES等代工廠正專注于平面22 nm技術節(jié)點（甚至更?。┑腇DSOI技術，可能會使嵌入式閃存的使用壽命比28nm節(jié)點更長。

對于指令代碼應用，不可以用OTP代替嵌入式閃存

一些集成電路需要使用片上指令代碼進行一次性編程，該編程可以在使用現(xiàn)場進行，也可以在交付客戶之前在晶圓級測試或封裝完成后在最終測試時完成。雖然OTP解決方案似乎足以符合非易失性存儲器的一次性編程要求，但實際操作時它存在一些嚴重的用戶體驗和可靠性問題。首先，大型存儲塊的OTP編程需要使用多個冗余位和相關的冗余管理電路，存在難以解決的效率低下難題。額外增加的復雜性也令芯片設計人員傷透腦筋。其次，嵌入式閃存工藝專門針對長期數(shù)據(jù)可靠性而進行了優(yōu)化，與之相比，采用OTP解決方案的大型存儲塊提供的數(shù)據(jù)保留時間通常沒有任何優(yōu)勢。原因是對大型OTP存儲塊進行編程有一些不確定性，產生的尾位會對精確讀取造成影響。

嵌入式閃存是可擴展的，并且可用于眾代工廠的先進技術節(jié)點

通常情況下，嵌入式閃存比領先技術節(jié)點晚兩代，因為其主要由非易失性存儲器解決方案需求推動，而諸如14nm Finfet等高級節(jié)點是由高端SoC、高性能計算和圖形處理器推動，這些不需要片上嵌入式閃存。最近，嵌入式閃存在高級邏輯節(jié)點的可用性方面已經邁出了一大步。2012年，純代工廠只能提供90 nm級嵌入式閃存。但在過去四年間，在許多領先的代工廠（見圖1）中以及在高端汽車和IoT解決方案的研發(fā)過程中，嵌入式閃存達到了28nm級。這種飛躍式的發(fā)展主要是由汽車應用推動的，汽車應用要求針對高級技術節(jié)點使用汽車MCU。

汽車、移動和IoT應用正在推動單片機和其他閃存器件發(fā)展，閃存市場已經增長到220億美元左右。為了在這一細分市場上占據(jù)一席之地，許多代工廠已經啟用了嵌入式閃存平臺或者正在積極努力之中，包括GLOBALFOUNDRIES、HHGrace、LFoundry、SilTerra、TSMC、UMC、Vanguard XFAB以及XMC，將來還有更多成員加入。

圖3 技術節(jié)點和相關代工廠

所有無晶圓廠的IDM和許多只有小規(guī)模晶圓廠的IDM都在與純代工廠進行合作。不過，IDM都有自己的制造設備，可以根據(jù)產品集和可用技術，選擇自己生產或外包給純代工廠。許多一流IDM選擇了在其自己的代工廠部署SST的嵌入式閃存技術，目的是為了能夠定制一系列技術節(jié)點的差異化產品。