關(guān)于嵌入式閃存，你所不了解的那些事兒

　　多年來，汽車行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新一直推動(dòng)著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。根據(jù)IHS的數(shù)據(jù)可知，汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)的年收入已經(jīng)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(nèi)部半導(dǎo)體元件的總價(jià)值約為1000美元，而中檔車內(nèi)部半導(dǎo)體元件的總價(jià)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(fù)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(fèi)類應(yīng)用領(lǐng)域的一系列產(chǎn)品中，并且是非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的典范，但關(guān)于嵌入式閃存技術(shù)仍有一些錯(cuò)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(shí)間和金錢

　　大多數(shù)時(shí)候都是一分價(jià)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?yàn)榕c基于電荷陷阱的嵌入式非易失性存儲(chǔ)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(shè)計(jì)人員應(yīng)該仔細(xì)考慮非易失性解決方案的總成本，包括潛在的產(chǎn)量損失、由于現(xiàn)場(chǎng)返貨造成的損耗、長(zhǎng)期數(shù)據(jù)保留、包括ECC和所需冗余電路在內(nèi)的總芯片尺寸以及生產(chǎn)時(shí)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(yīng)用，因此如果非易失性存儲(chǔ)器平臺(tái)需要滿足一系列低端和高端應(yīng)用的需求，則更需要可滿足所有應(yīng)用需求的非易失性存儲(chǔ)器解決方案，這些應(yīng)用對(duì)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(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用多個(gè)非易失性平臺(tái)比應(yīng)用可靠的基于多晶硅浮柵的非易失性存儲(chǔ)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(yīng)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(shù)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(chǔ)單元，不斷推動(dòng)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(chǔ)結(jié)構(gòu)和工作原理，請(qǐng)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(yīng)用

　　IoT應(yīng)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(duì)用戶來說也是透明的，這是因?yàn)殚W存宏從用戶接收內(nèi)核/IO電壓并使用內(nèi)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(yīng)用。

　　嵌入式閃存支持EEPROM功能

　　傳統(tǒng)的EEPROM架構(gòu)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(yīng)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(chǔ)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(yùn)的是，我們可以使用SRAM緩沖器在整個(gè)嵌入式閃存區(qū)的一小部分上模擬EEPROM功能，既簡(jiǎn)單并且對(duì)用戶透明。

　　這經(jīng)常讓人們誤認(rèn)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_(dá)到100萬次。過去，大多數(shù)MCU和智能卡應(yīng)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(yīng)用的要求越發(fā)嚴(yán)格，耐擦寫次數(shù)需達(dá)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(shù)(ESF3)提供比前兩代技術(shù)更好的耐擦寫特性，并且大量的數(shù)據(jù)顯示，第三代技術(shù)能夠滿足這些應(yīng)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(kuò)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(diǎn)，理由是存儲(chǔ)單元擴(kuò)展面臨諸多困難和挑戰(zhàn)。可如今嵌入式閃存已發(fā)展到28nm級(jí)，因此證明上述看法是錯(cuò)誤的。現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是將嵌入式閃存邁入FinFet工藝時(shí)代。不過，諸如Samsung和GLOBALFOUNDRIES等代工廠正專注于平面22 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)(甚至更小)的FDSOI技術(shù)，可能會(huì)使嵌入式閃存的使用壽命比28nm節(jié)點(diǎn)更長(zhǎng)。

　　對(duì)于指令代碼應(yīng)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(jìn)行一次性編程，該編程可以在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，也可以在交付客戶之前在晶圓級(jí)測(cè)試或封裝完成后在最終測(cè)試時(shí)完成。雖然OTP解決方案似乎足以符合非易失性存儲(chǔ)器的一次性編程要求，但實(shí)際操作時(shí)它存在一些嚴(yán)重的用戶體驗(yàn)和可靠性問題。首先，大型存儲(chǔ)塊的OTP編程需要使用多個(gè)冗余位和相關(guān)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(fù)雜性也令芯片設(shè)計(jì)人員傷透腦筋。其次，嵌入式閃存工藝專門針對(duì)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)可靠性而進(jìn)行了優(yōu)化，與之相比，采用OTP解決方案的大型存儲(chǔ)塊提供的數(shù)據(jù)保留時(shí)間通常沒有任何優(yōu)勢(shì)。原因是對(duì)大型OTP存儲(chǔ)塊進(jìn)行編程有一些不確定性，產(chǎn)生的尾位會(huì)對(duì)精確讀取造成影響。

　　嵌入式閃存是可擴(kuò)展的，并且可用于眾代工廠的先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)

　　通常情況下，嵌入式閃存比領(lǐng)先技術(shù)節(jié)點(diǎn)晚兩代，因?yàn)槠渲饕煞且资源鎯?chǔ)器解決方案需求推動(dòng)，而諸如14nm Finfet等高級(jí)節(jié)點(diǎn)是由高端SoC、高性能計(jì)算和圖形處理器推動(dòng)，這些不需要片上嵌入式閃存。最近，嵌入式閃存在高級(jí)邏輯節(jié)點(diǎn)的可用性方面已經(jīng)邁出了一大步。2012年，純代工廠只能提供90 nm級(jí)嵌入式閃存。但在過去四年間，在許多領(lǐng)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(dá)到了28nm級(jí)。這種飛躍式的發(fā)展主要是由汽車應(yīng)用推動(dòng)的，汽車應(yīng)用要求針對(duì)高級(jí)技術(shù)節(jié)點(diǎn)使用汽車MCU。

　　汽車、移動(dòng)和IoT應(yīng)用正在推動(dòng)單片機(jī)和其他閃存器件發(fā)展，閃存市場(chǎng)已經(jīng)增長(zhǎng)到220億美元左右。為了在這一細(xì)分市場(chǎng)上占據(jù)一席之地，許多代工廠已經(jīng)啟用了嵌入式閃存平臺(tái)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(shù)節(jié)點(diǎn)和相關(guān)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(jìn)行合作。不過，IDM都有自己的制造設(shè)備，可以根據(jù)產(chǎn)品集和可用技術(shù)，選擇自己生產(chǎn)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(shù)，目的是為了能夠定制一系列技術(shù)節(jié)點(diǎn)的差異化產(chǎn)品。