什麼才是嵌入式Flash的邊界？

多年來，嵌入式非易失性快閃記憶體在晶片中發揮了關鍵作用，但該技術正面臨著擴展性和成本障礙。

嵌入式快閃記憶體可用於多個市場，如汽車，消費和工業。

其中，汽車行業更為關心該技術的未來。

通常而言，汽車中會包含許多微控制器（MCUs），用於執行晶片處理功能。

而MCUs也會集成基於NOR技術的嵌入式非易失性快閃記憶體，用於處理代碼存儲。

但是也並不是所有的MCUs或處理器都包含嵌入式快閃記憶體。

現如今，基於40nm及以上工藝嵌入式快閃記憶體的MCUs廣泛應用於汽車產業中。

另一方面，業界也在加速28nm工藝MCUs研發，用於儀表組，動力傳動系和車輛的其他部件。

預計汽車製造商將在未來幾年內使用基於28nm及以上工藝的MCUs。

儘管如此，OEMs仍在權衡下一代產品，這也是他們面臨一些潛在障礙的地方。

簡而言之，隨著製程從40nm進展到28nm，NOR Flash已經出現各種各樣的問題，更別提28nm以上工藝。

對此，Objective Analysis分析師Jim Handy表示：「現在很多微處理器仍採用130nm或以上工藝，這也都非常適合嵌入式NOR應用，小於28nm的NOR工藝還沒有足夠的推動力。

」

為了解決這一難題，相關企業也在研發相應解決方案。

但是快速增長的輔助駕駛和自動駕駛，正推動企業加快研發進程。

主要以下幾方面：

• 嵌入式快閃記憶體將擴展到28nm，甚至可能達到22nm。
  
  一些人正在努力將該技術擴展到16nm / 14nm，儘管許多人認為它將在28nm/22nm處碰壁。
  
  

• 如果嵌入式快閃記憶體失去動力，OEM廠商可能會將代碼存儲轉移到獨立的NOR設備上。
  
  因此，OEM廠商需要一個雙晶片解決方案，包括一個MCU和一個NOR設備。
  
  

• 如果不採用雙晶片解決方案，OEM廠商可以將獨立的MCU和NOR器件封裝在一個設備中。
  
  

• MRAM是下一代存儲器類型，被認為是嵌入式快閃記憶體和緩存應用的替代品。
  
  MRAM可用於消費類應用，但目前還不清楚它是否能夠滿足汽車領域溫度要求。
  
  為此，也有人認為MRAM永遠不會在汽車行業應用。
  
  

可以肯定的是，汽車與大多數應用市場不同。

在商業領域，對晶片缺陷的溫度範圍具有一定的容忍度。

但是在汽車晶片中，不存在缺陷或故障的容忍度。

此外，還有嚴格的溫度規格。

汽車晶片需求增長

儘管如此，汽車晶片市場仍然很火爆。

根據IHS的數據，平均每輛汽車的電子產品需求預計將從2013年的312美元攀升至2022年的460美元。

根據IC Insights的數據，預計2018年汽車IC市場總量將達到創紀錄的323億美元，比2017年增長18.5％。

據該公司稱，在汽車領域，模擬器件市場占據最大市場份額45％，其次是MCUs占23％。

圖1 全球汽車IC市場增長情況（數據來源IC Insights）

這只是故事的一部分，特別是對於MCUs。

「用於環境感知的傳感器和MCUs的部署，對嵌入式快閃記憶體的需求在設備數量和內存密度方面都在增加，」聯華電子產品營銷總監David Hideo Uriu表示：「傳感器和傳感器增列的部署，將增加嵌入式快閃記憶體MCUs和ASICs需求，用於輔助駕駛、負載相關傳感及信息娛樂等。

」

入門級汽車包含大約20個MCUs。

根據英飛凌和Strategy Analytics的數據，中端車型具有60個MCUs，豪華車型有110個。

2016年德國豪華車型擁有大約25個32位MCUs，其餘的則是8位和16位晶片。

MCUs採用嵌入式快閃記憶體，基於EEPROM或NOR。

兩者都提供代碼存儲，可以啟動設備並允許它運行程序。

Objective Analysis的Handy認為：「EEPROM和NOR之間的區別在於每位單元一個電晶體（NOR）或兩個電晶體（EEPROM）。

」

除了MCUs，汽車製造商還使用獨立的NOR設備，也有不同的架構類型。

例如，Silicon Storage Technology（SST）提供基於浮柵技術的嵌入式快閃記憶體。

在浮柵架構中，電荷存儲在柵極中。

此外，賽普拉斯和瑞薩提供基於電荷陷阱技術的MCUs，其中電荷存儲在堆棧的氮化物層中。

另一方面，恩智浦和英飛凌也推出了採用不同嵌入式技術的MCUs。

當然，汽車還包含其他存儲器類型，例如DRAM和NAND。

Semico Research總裁Jim Feldhan認為：「2017年，每輛車的平均內存總量為21美元。

這個數字通過2017年汽車內存總銷售量除以汽車總銷售量求得，這隻考慮了不包括嵌入式內存的獨立內存。

」

「每輛車的內存含量從非常小的數量變化到多達8GB的DRAM和8GB的NAND，用於L1和L2車輛，」Feldhan表示：「現在，配備自動駕駛功能的汽車數量還很少。

但是自動駕駛應用正在增長，從而帶動了對所有類型內存的需求。

到2021年，擁有L3自動化功能的汽車將需要16GB DRAM和256GB NAND。

到2025年，全自動汽車（L5）預計將需要74GB DRAM和1TB NAND。

」

在此情況下，所有汽車晶片供應商都面臨著挑戰。

「你不能讓零件失效，因為它會影響安全性，」KLA-Tencor營銷高級主管Robert Cappel認為：「除了質量和產量之外，還需要關注潛在的可靠性缺陷，這些隨著時間推移也會帶來安全問題。

由此可見，要求正在發生變化。

」

新的選擇出現

同時，在車輛中MCUs可用於稱為電子控制單元（ECUs）的嵌入式計算機中。

ECUs控制著車輛中的各個區域，這些區域通過網絡連接。

ECUs還包含其他類型的晶片，例如處理器和片上系統（SoC），具體取決於應用。

通常我們將汽車劃分為五個領域 - 車身、通信、安全、信息娛樂和動力傳動系統。

車身部分包括車門、車燈和車窗控制。

通信則包括蜂窩、WiFi和相關功能。

安全包括攝像頭和雷達。

信息娛樂涉及駕駛員信息和娛樂。

動力總成包括發動機控制和變速箱。

圖2 半導體在汽車領域應用（來源UMC）

每個領域都有不同的要求。

例如，安全方面可能會使用沒有嵌入式快閃記憶體的高端處理器。

相反，OEMs會使用外部NOR晶片。

「目前有三種汽車應用包括車身、儀錶板和動力總成，使用了嵌入式快閃記憶體MCUs。

所有這些應用都使用28nm/40nm或更大節點的嵌入式快閃記憶體MCUs，」賽普拉斯存儲器產品部執行副總裁Sam Geha解釋道。

圖3 汽車領域對於矽器件需求（來源UMC）

例如，瑞薩公司最近推出了業界首款採用嵌入式快閃記憶體的28nm MCU。

該產品包含多達六個400 MHz CPU內核和最多16兆字節的嵌入式快閃記憶體。

該MCU適用於電動汽車和混合動力汽車的動力總成以及電機控制功能。

通常認為，40nm和28nm預計將成為汽車中MCUs的長期運行節點。

儘管如此，瑞薩和其他公司仍然認為需要超過28納米的MCUs並已經有多種方案。

一種選擇是擴展嵌入式快閃記憶體。

在2016年IEDM的一篇論文中，瑞薩為16nm/14nm的finFET描述了一種嵌入式快閃記憶體技術。

使用其現有的電荷陷阱方案，該技術證明了150攝氏度的數據保留率。

但有個問題，它將在2023年才會出現。

在28nm及以上，嵌入式快閃記憶體通常是平面狀結構。

相比之下，瑞薩的16nm/14nm嵌入式快閃記憶體位於垂直方向。

隨著高級輔助駕駛系統(ADAS)等汽車自動化方面的進步以及物聯網(IoT)連接的智能社會的發展，產生了使用更精細製程技術裝配先進MCU的需求。

為滿足這一需求，瑞薩電子開發了基於16/14納米技術的嵌入式快閃記憶體，成功替代了目前最新的40/28納米技術。

在16/14納米邏輯製程中，一種採用鰭狀結構的電晶體——鰭式場效應電晶體(FinFET)，被廣泛用於提高性能和降低功耗，以克服傳統平面電晶體的擴展限制。

圖4 瑞薩28nm嵌入式快閃記憶體單元截面圖（來源IEEE）

圖5 瑞薩16nm/14nm嵌入式快閃記憶體單元截面圖（來源Renesas）

然後，在2017年IEDM的一篇論文中，瑞薩展示了有關其技術的更多細節，稱為FinFET SG-MONOS陣列。

「FinFET SG-MONOS陣列已成功運行於多個項目，具有足夠寬的擦除窗口」瑞薩研究員Shibun Tsuda在論文中表示。

通常而言，擴展NOR是一項挑戰。

NOR在縮小漏極電壓、柵極長度和隧道氧化物方面都面臨一些問題。

現階段領先的獨立NOR器件是45nm產品，並正在研發32nm/28nm相關產品。

「雖然我們的MirrorBit技術（賽普拉斯的NOR電池技術術語）已被證明能夠在28nm/32nm節點上工作，但我們預計不會在短期內轉向該節點。

擴展NOR超過28nm是非常困難的，不會提供投資回報率」Geha認為。

在嵌入式快閃記憶體中，每個節點需要更多掩模，從而增加了成本。

「添加嵌入式快閃記憶體非常昂貴，」Geha表示：「在40nm，你通常需要在CMOS上增加8到12或13個額外的掩模才能添加嵌入式快閃記憶體。

在28nm，這一數字將變成9到18個。

」

所以今天，嵌入式快閃記憶體可擴展到28nm，但價格昂貴。

繼28nm之後，OEMs正在開發22nm工藝。

因此，嵌入式快閃記憶體的下一步是22nm，這是28nm的縮放版本。

超過22nm，有幾種選擇。

一個想法是模仿NAND類似結構。

正因為Planar NAND在1xnm節點上嶄露頭角，促使業界開發3D NAND。

在3D NAND中，存儲器單元彼此堆疊以擴展技術。

業界正在探索與NOR類似的想法，但目前還不清楚是否會發生所謂的3D NOR。

可以肯定的是，有更多可行的選擇。

業界正在開發16nm/14nm及以上的MCUs。

如果嵌入式快閃記憶體無法擴展，那麼OEMs將使用沒有嵌入式快閃記憶體的MCU。

所以他們會在電路板上使用外部NOR器件，需要兩個晶片而不是一個晶片。

通常，雙晶片解決方案提供了一些靈活性，使OEMs能夠使用來自多個供應商的晶片。

但是這種方法也會占用電路板空間並消耗更多功率，並且會增加一些潛在的延遲和安全問題。

另一種選擇是將獨立MCU和NOR器件集成在系統級封裝（SiP）中。

SiP需要不同的供應鏈。

例如，MCU供應商會購買NOR器件並將其封裝在SiP中。

「在一個封裝中，還需要能夠承受高溫，」賽普拉斯的Geha表示：「晶片溫度為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」。

隨著時間的推移，OEMs將使用雙晶片和SiP方案。

「通常，對於嵌入式快閃記憶體，您希望它比通過外部接口更快，這一點還需要進行優化，」賽普拉斯快閃記憶體業務部副總裁兼總經理Rainer Hoehler說道：「同時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。

業界正在開發稱為「自旋轉移力矩磁性隨機存儲技術（STT-MRAM）」的下一代MRAM技術。

STT-MRAM利用電子自旋的磁性在晶片中提供非揮發性特性。

它結合了SRAM的速度和快閃記憶體的非易失性，幾乎無限的耐用性。

在傳統存儲器中，數據存儲為電荷。

相反，MRAM使用磁隧道結存儲單元作為存儲元件。

圖6 自旋轉移力矩MRAM技術（來源Everspin）

製作STT-MRAM是一個具有挑戰性的過程。

其他下一代存儲器類型（如相變）也是如此。

「它們包含不常用於標準CMOS產品的材料，」Lam Research的高級技術總監Alex Yoon在博客中說：「MRAM材料往往會產生非揮發性副產品，最終會沉積在整個晶圓上，造成短路並導致錐形電堆疊。

」

目前，STT-MRAM晶片主要用於固態存儲驅動器。

在這個應用程式中，溫度要求不那麼嚴格。

汽車應用則不同。

「任何用於汽車MCUs的新興非易失性存儲器都必須通過嚴格的可靠性規範。

它必須滿足焊接回流要求，高可靠性和超過20年的保質期，」UMC公司的Uriu表示：「汽車應用需要125°，0級需要150°。

我們認為150°是可能的（使用STT-MRAM），但需要開發資源來實現這一目標。

」

現階段，STT-MRAM的溫度規格範圍為85°至105°C，低於汽車的要求。

業界正在研究STT-MRAM的更高溫度規格，但仍在進行中。

「MRAM的一個優點是，可以修改技術並在諸如溫度曲線、如何支持高溫環境以及設備操作速度之間進行權衡，」 Global Foundries嵌入式內存高級主管Martin Mason認為：「我們將（嵌入式MRAM）技術應用於22nm。

然後，許多客戶希望該設備解決回流曲線。

以使焊料回流曲線在較長時間內達到250°、260°或更高的高溫。

其中一個問題是，當我們這樣做時，設備仍然可靠。

這個問題已經解決了。

」

然而，有些人不那麼樂觀，至少對於汽車應用而言。

「我自己在MRAM工作過，」賽普拉斯的Geha表示：「MRAM在高溫下不起作用。

無論人們試圖聲稱什麼，它都有問題。

它是一種基於磁性的結構。

一旦遇到高溫，磁性能就會變差。

它可能適用於某些消費者的東西。

它永遠不會在高溫下工作。

電阻RAM更糟糕。

電阻式RAM適用於消費者，但它們甚至無法達到工業級別。

」

其他人的觀點略有不同。

「STT-MRAM正在取得良好進展，它在某些應用市場上占有一席之地，例如L3/L4緩存或NVSRAM應用，」SST營銷總監Vipin Tiwari表示：「但是，我沒有看到MRAM作為嵌入式快閃記憶體的替代品，因為它無法實現嵌入式快閃記憶體今天所能做的事情，這是對故障機制、現場數據、磁免疫力、耐久性、快速讀取性能等的綜合要求。

」

「28nm（平面）和14/16nm（finFET）技術之間存在巨大的成本差異，因此採用存在一定的成本障礙。

此外，14/16nm finFET技術的嵌入式快閃記憶體集成將比以前的節點更具挑戰性，因此我認為嵌入式快閃記憶體開發過程比以前的節點將花費更長的時間。

假設採用14/16nm技術的嵌入式快閃記憶體平台可以在2022年獲得認證，我們可以預期在2026年推出基於14/16nm的汽車MCUs。

儘管如此，14/16nm汽車MCU有可能使用晶圓或封裝級集成整合經過生產驗證的28nm嵌入式快閃記憶體作為獨立晶片。

在那種情況下，可以看到14/16nm MCU將早於2026年應用」Tiwari認為。

MRAM是最終歸宿？

如上所述，一些應用領域使用具有嵌入式快閃記憶體的MCUs。

其他領域不使用MCUs。

相反，它們包含更高端的應用處理器和SoC。

這些設備用於各種領域，例如高級駕駛員輔助系統（ADAS）和高端信息娛樂系統。

圖7 儀表系統圖集（來自Cypress）

這些處理器不集成嵌入式快閃記憶體。

相反，OEMs會在電路板上使用外部NOR器件。

處理器和NOR設備通過總線進行通信。

處理器將SRAM存儲器集成到緩存中。

SRAM存儲數據和常用指令。

SRAM速度很快，但它很大並且消耗功率。

這就是嵌入式STT-MRAM適合緩存的地方。

「對於MRAM，由於位單元比SRAM位單元小得多，你可以在晶片上放置大量的MRAM，」 Objective Analysis公司Handy認為。

這將減少空間和成本。

「隨著時間的推移，有些人會將MRAM視為嵌入式快閃記憶體的替代品。

但這不是我們關注的地方。

我們認為這是一個非易失性SRAM的機會，」恩智浦應用處理器副總裁Ron Martino表示。

恩智浦提供了基於三星28nm FD-SOI工藝的應用處理器。

該設備針對信息娛樂系統和儀錶板，集成了SRAM和其他組件。

圖8 另一個儀表集群圖（來源NXP）

將來，處理器將採用嵌入式MRAM。

「當將MRAM與FD-SOI相結合時，我們會看到許多應用，」Martino認為：「它不會是SRAM的替代品。

但它將是互補的，你可以引入MRAM來創建針對更高性能的非易失性RAM模塊。

」

但STT-MRAM是否會滿足汽車的溫度規格？「MRAM技術在該行業中的地位首先集中在將其用於較低溫度的製造中。

那將是85或105攝氏度的溫度範圍。

然後，下一階段將達到125攝氏度，」 Martino 表示：「第一批受益於嵌入式MRAM的應用將成為消費者和工業用戶。

然後，你會看到MRAM隨著時間的推移在汽車中使用。

」

可以肯定的是，汽車製造商很保守。

除非符合規範，否則它們不會移動到新的內存類型。

與此同時，OEMs將儘可能擴展今天的嵌入式快閃記憶體。

然後，當它耗盡之時，OEMs必須在高風險汽車市場上做出正確的選擇。