嵌入式Flash的边界是什么，有何作用？

多年来，嵌入式非易失性闪存在芯片中发挥了关键作用，但该技术正面临着扩展性和成本障碍。

嵌入式闪存可用于多个市场，如汽车，消费和工业。其中，汽车行业更为关心该技术的未来。通常而言，汽车中会包含许多微控制器（MCUs），用于执行芯片处理功能。而MCUs也会集成基于NOR技术的嵌入式非易失性闪存，用于处理代码存储。但是也并不是所有的MCUs或处理器都包含嵌入式闪存。

现如今，基于40nm及以上工艺嵌入式闪存的MCUs广泛应用于汽车产业中。另一方面，业界也在加速28nm工艺MCUs研发，用于仪表组，动力传动系和车辆的其他部件。预计汽车制造商将在未来几年内使用基于28nm及以上工艺的MCUs。

尽管如此，OEMs仍在权衡下一代产品，这也是他们面临一些潜在障碍的地方。简而言之，随着制程从40nm进展到28nm，NOR Flash已经出现各种各样的问题，更别提28nm以上工艺。对此，Objective Analysis分析师Jim Handy表示：“现在很多微处理器仍采用130nm或以上工艺，这也都非常适合嵌入式NOR应用，小于28nm的NOR工艺还没有足够的推动力。”

为了解决这一难题，相关企业也在研发相应解决方案。但是快速增长的辅助驾驶和自动驾驶，正推动企业加快研发进程。主要以下几方面：

嵌入式闪存将扩展到28nm，甚至可能达到22nm。一些人正在努力将该技术扩展到16nm / 14nm，尽管许多人认为它将在28nm/22nm处碰壁。

如果嵌入式闪存失去动力，OEM厂商可能会将代码存储转移到独立的NOR设备上。因此，OEM厂商需要一个双芯片解决方案，包括一个MCU和一个NOR设备。

如果不采用双芯片解决方案，OEM厂商可以将独立的MCU和NOR器件封装在一个设备中。

MRAM是下一代存储器类型，被认为是嵌入式闪存和缓存应用的替代品。MRAM可用于消费类应用，但目前还不清楚它是否能够满足汽车领域温度要求。为此，也有人认为MRAM永远不会在汽车行业应用。

可以肯定的是，汽车与大多数应用市场不同。在商业领域，对芯片缺陷的温度范围具有一定的容忍度。但是在汽车芯片中，不存在缺陷或故障的容忍度。此外，还有严格的温度规格。

汽车芯片需求增长

尽管如此，汽车芯片市场仍然很火爆。根据IHS的数据，平均每辆汽车的电子产品需求预计将从2013年的312美元攀升至2022年的460美元。根据IC Insights的数据，预计2018年汽车IC市场总量将达到创纪录的323亿美元，比2017年增长18.5％。据该公司称，在汽车领域，模拟器件市场占据最大市场份额45％，其次是MCUs占23％。

图1 全球汽车IC市场增长情况（数据来源IC Insights）

这只是故事的一部分，特别是对于MCUs。“用于环境感知的传感器和MCUs的部署，对嵌入式闪存的需求在设备数量和内存密度方面都在增加，”联华电子产品营销总监David Hideo Uriu表示：“传感器和传感器增列的部署，将增加嵌入式闪存MCUs和ASICs需求，用于辅助驾驶、负载相关传感及信息娱乐等。”

入门级汽车包含大约20个MCUs。根据英飞凌和Strategy Analytics的数据，中端车型具有60个MCUs，豪华车型有110个。2016年德国豪华车型拥有大约25个32位MCUs，其余的则是8位和16位芯片。

MCUs采用嵌入式闪存，基于EEPROM或NOR。两者都提供代码存储，可以启动设备并允许它运行程序。Objective Analysis的Handy认为：“EEPROM和NOR之间的区别在于每位单元一个晶体管（NOR）或两个晶体管（EEPROM）。”

除了MCUs，汽车制造商还使用独立的NOR设备，也有不同的架构类型。例如，Silicon Storage Technology（SST）提供基于浮栅技术的嵌入式闪存。在浮栅架构中，电荷存储在栅极中。此外，赛普拉斯和瑞萨提供基于电荷陷阱技术的MCUs，其中电荷存储在堆栈的氮化物层中。另一方面，恩智浦和英飞凌也推出了采用不同嵌入式技术的MCUs。

当然，汽车还包含其他存储器类型，例如DRAM和NAND。Semico Research总裁Jim Feldhan认为：“2017年，每辆车的平均内存总量为21美元。这个数字通过2017年汽车内存总销售量除以汽车总销售量求得，这只考虑了不包括嵌入式内存的独立内存。”

“每辆车的内存含量从非常小的数量变化到多达8GB的DRAM和8GB的NAND，用于L1和L2车辆，”Feldhan表示：“现在，配备自动驾驶功能的汽车数量还很少。但是自动驾驶应用正在增长，从而带动了对所有类型内存的需求。到2021年，拥有L3自动化功能的汽车将需要16GB DRAM和256GB NAND。到2025年，全自动汽车（L5）预计将需要74GB DRAM和1TB NAND。”

在此情况下，所有汽车芯片供应商都面临着挑战。“你不能让零件失效，因为它会影响安全性，”KLA-Tencor营销高级主管Robert Cappel认为：“除了质量和产量之外，还需要关注潜在的可靠性缺陷，这些随着时间推移也会带来安全问题。由此可见，要求正在发生变化。”

新的选择出现

同时，在车辆中MCUs可用于称为电子控制单元（ECUs）的嵌入式计算机中。ECUs控制着车辆中的各个区域，这些区域通过网络连接。ECUs还包含其他类型的芯片，例如处理器和片上系统（SoC），具体取决于应用。

通常我们将汽车划分为五个领域 - 车身、通信、安全、信息娱乐和动力传动系统。车身部分包括车门、车灯和车窗控制。通信则包括蜂窝、WiFi和相关功能。安全包括摄像头和雷达。信息娱乐涉及驾驶员信息和娱乐。动力总成包括发动机控制和变速箱。

图2 半导体在汽车领域应用（来源UMC）

每个领域都有不同的要求。例如，安全方面可能会使用没有嵌入式闪存的高端处理器。相反，OEMs会使用外部NOR芯片。

“目前有三种汽车应用包括车身、仪表板和动力总成，使用了嵌入式闪存MCUs。所有这些应用都使用28nm/40nm或更大节点的嵌入式闪存MCUs，”赛普拉斯存储器产品部执行副总裁Sam Geha解释道。

图3 汽车领域对于硅器件需求（来源UMC）

例如，瑞萨公司最近推出了业界首款采用嵌入式闪存的28nm MCU。该产品包含多达六个400 MHz CPU内核和最多16兆字节的嵌入式闪存。该MCU适用于电动汽车和混合动力汽车的动力总成以及电机控制功能。

通常认为，40nm和28nm预计将成为汽车中MCUs的长期运行节点。尽管如此，瑞萨和其他公司仍然认为需要超过28纳米的MCUs并已经有多种方案。

一种选择是扩展嵌入式闪存。在2016年IEDM的一篇论文中，瑞萨为16nm/14nm的finFET描述了一种嵌入式闪存技术。使用其现有的电荷陷阱方案，该技术证明了150摄氏度的数据保留率。但有个问题，它将在2023年才会出现。

在28nm及以上，嵌入式闪存通常是平面状结构。相比之下，瑞萨的16nm/14nm嵌入式闪存位于垂直方向。随着高级辅助驾驶系统(ADAS)等汽车自动化方面的进步以及物联网(IoT)连接的智能社会的发展，产生了使用更精细制程技术装配先进MCU的需求。为满足这一需求，瑞萨电子开发了基于16/14纳米技术的嵌入式闪存，成功替代了目前最新的40/28纳米技术。在16/14纳米逻辑制程中，一种采用鳍状结构的晶体管——鳍式场效应晶体管(FinFET)，被广泛用于提高性能和降低功耗，以克服传统平面晶体管的扩展限制。

图4 瑞萨28nm嵌入式闪存单元截面图（来源IEEE）

图5 瑞萨16nm/14nm嵌入式闪存单元截面图（来源Renesas）

然后，在2017年IEDM的一篇论文中，瑞萨展示了有关其技术的更多细节，称为FinFET SG-MONOS阵列。“FinFET SG-MONOS阵列已成功运行于多个项目，具有足够宽的擦除窗口”瑞萨研究员Shibun Tsuda在论文中表示。

通常而言，扩展NOR是一项挑战。NOR在缩小漏极电压、栅极长度和隧道氧化物方面都面临一些问题。

现阶段领先的独立NOR器件是45nm产品，并正在研发32nm/28nm相关产品。“虽然我们的MirrorBit技术（赛普拉斯的NOR电池技术术语）已被证明能够在28nm/32nm节点上工作，但我们预计不会在短期内转向该节点。扩展NOR超过28nm是非常困难的，不会提供投资回报率”Geha认为。

在嵌入式闪存中，每个节点需要更多掩模，从而增加了成本。“添加嵌入式闪存非常昂贵，”Geha表示：“在40nm，你通常需要在CMOS上增加8到12或13个额外的掩模才能添加嵌入式闪存。在28nm，这一数字将变成9到18个。”

所以今天，嵌入式闪存可扩展到28nm，但价格昂贵。继28nm之后，OEMs正在开发22nm工艺。因此，嵌入式闪存的下一步是22nm，这是28nm的缩放版本。超过22nm，有几种选择。一个想法是模仿NAND类似结构。正因为Planar NAND在1xnm节点上崭露头角，促使业界开发3D NAND。在3D NAND中，存储器单元彼此堆叠以扩展技术。业界正在探索与NOR类似的想法，但目前还不清楚是否会发生所谓的3D NOR。

可以肯定的是，有更多可行的选择。业界正在开发16nm/14nm及以上的MCUs。如果嵌入式闪存无法扩展，那么OEMs将使用没有嵌入式闪存的MCU。所以他们会在电路板上使用外部NOR器件，需要两个芯片而不是一个芯片。通常，双芯片解决方案提供了一些灵活性，使OEMs能够使用来自多个供应商的芯片。但是这种方法也会占用电路板空间并消耗更多功率，并且会增加一些潜在的延迟和安全问题。

另一种选择是将独立MCU和NOR器件集成在系统级封装（SiP）中。SiP需要不同的供应链。例如，MCU供应商会购买NOR器件并将其封装在SiP中。

“在一个封装中，还需要能够承受高温，”赛普拉斯的Geha表示：“芯片温度为125摄氏度，压模温度为150摄氏度。二者封装在一起，温度将提升15摄氏度”。

随着时间的推移，OEMs将使用双芯片和SiP方案。“通常，对于嵌入式闪存，您希望它比通过外部接口更快，这一点还需要进行优化，”赛普拉斯闪存业务部副总裁兼总经理Rainer Hoehler说道：“同时还需要考虑功耗问题、安全及成本问题。”

除此之外，MRAM是另一种选择。业界正在开发称为“自旋转移力矩磁性随机存储技术（STT-MRAM）”的下一代MRAM技术。 STT-MRAM利用电子自旋的磁性在芯片中提供非挥发性特性。它结合了SRAM的速度和闪存的非易失性，几乎无限的耐用性。在传统存储器中，数据存储为电荷。相反，MRAM使用磁隧道结存储单元作为存储元件。

图6 自旋转移力矩MRAM技术（来源Everspin）

制作STT-MRAM是一个具有挑战性的过程。其他下一代存储器类型（如相变）也是如此。“它们包含不常用于标准CMOS产品的材料，”Lam Research的高级技术总监Alex Yoon在博客中说：“MRAM材料往往会产生非挥发性副产品，最终会沉积在整个晶圆上，造成短路并导致锥形电堆叠。”

目前，STT-MRAM芯片主要用于固态存储驱动器。在这个应用程序中，温度要求不那么严格。汽车应用则不同。“任何用于汽车MCUs的新兴非易失性存储器都必须通过严格的可靠性规范。它必须满足焊接回流要求，高可靠性和超过20年的保质期，”UMC公司的Uriu表示：“汽车应用需要125°，0级需要150°。我们认为150°是可能的（使用STT-MRAM），但需要开发资源来实现这一目标。”

现阶段，STT-MRAM的温度规格范围为85°至105°C，低于汽车的要求。业界正在研究STT-MRAM的更高温度规格，但仍在进行中。

“MRAM的一个优点是，可以修改技术并在诸如温度曲线、如何支持高温环境以及设备操作速度之间进行权衡，” Global Foundries嵌入式内存高级主管Martin Mason认为：“我们将（嵌入式MRAM）技术应用于22nm。然后，许多客户希望该设备解决回流曲线。以使焊料回流曲线在较长时间内达到250°、260°或更高的高温。其中一个问题是，当我们这样做时，设备仍然可靠。这个问题已经解决了。”

然而，有些人不那么乐观，至少对于汽车应用而言。“我自己在MRAM工作过，”赛普拉斯的Geha表示：“MRAM在高温下不起作用。无论人们试图声称什么，它都有问题。它是一种基于磁性的结构。一旦遇到高温，磁性能就会变差。它可能适用于某些消费者的东西。它永远不会在高温下工作。电阻RAM更糟糕。电阻式RAM适用于消费者，但它们甚至无法达到工业级别。”

其他人的观点略有不同。“STT-MRAM正在取得良好进展，它在某些应用市场上占有一席之地，例如L3/L4缓存或NVSRAM应用，”SST营销总监Vipin Tiwari表示：“但是，我没有看到MRAM作为嵌入式闪存的替代品，因为它无法实现嵌入式闪存今天所能做的事情，这是对故障机制、现场数据、磁免疫力、耐久性、快速读取性能等的综合要求。”

“28nm（平面）和14/16nm（finFET）技术之间存在巨大的成本差异，因此采用存在一定的成本障碍。此外，14/16nm finFET技术的嵌入式闪存集成将比以前的节点更具挑战性，因此我认为嵌入式闪存开发过程比以前的节点将花费更长的时间。假设采用14/16nm技术的嵌入式闪存平台可以在2022年获得认证，我们可以预期在2026年推出基于14/16nm的汽车MCUs。尽管如此，14/16nm汽车MCU有可能使用晶圆或封装级集成整合经过生产验证的28nm嵌入式闪存作为独立芯片。在那种情况下，可以看到14/16nm MCU将早于2026年应用”Tiwari认为。

MRAM是最终归宿？

如上所述，一些应用领域使用具有嵌入式闪存的MCUs。其他领域不使用MCUs。相反，它们包含更高端的应用处理器和SoC。这些设备用于各种领域，例如高级驾驶员辅助系统（ADAS）和高端信息娱乐系统。

图7 仪表系统图集（来自Cypress）

这些处理器不集成嵌入式闪存。相反，OEMs会在电路板上使用外部NOR器件。处理器和NOR设备通过总线进行通信。处理器将SRAM存储器集成到缓存中。SRAM存储数据和常用指令。SRAM速度很快，但它很大并且消耗功率。

这就是嵌入式STT-MRAM适合缓存的地方。“对于MRAM，由于位单元比SRAM位单元小得多，你可以在芯片上放置大量的MRAM，” Objective Analysis公司Handy认为。

这将减少空间和成本。“随着时间的推移，有些人会将MRAM视为嵌入式闪存的替代品。但这不是我们关注的地方。我们认为这是一个非易失性SRAM的机会，”恩智浦应用处理器副总裁Ron Martino表示。

恩智浦提供了基于三星28nm FD-SOI工艺的应用处理器。该设备针对信息娱乐系统和仪表板，集成了SRAM和其他组件。

图8 另一个仪表集群图（来源NXP）

将来，处理器将采用嵌入式MRAM。“当将MRAM与FD-SOI相结合时，我们会看到许多应用，”Martino认为：“它不会是SRAM的替代品。但它将是互补的，你可以引入MRAM来创建针对更高性能的非易失性RAM模块。”

但STT-MRAM是否会满足汽车的温度规格？“MRAM技术在该行业中的地位首先集中在将其用于较低温度的制造中。那将是85或105摄氏度的温度范围。然后，下一阶段将达到125摄氏度，” Martino 表示：“第一批受益于嵌入式MRAM的应用将成为消费者和工业用户。然后，你会看到MRAM随着时间的推移在汽车中使用。”

可以肯定的是，汽车制造商很保守。除非符合规范，否则它们不会移动到新的内存类型。与此同时，OEMs将尽可能扩展今天的嵌入式闪存。然后，当它耗尽之时，OEMs必须在高风险汽车市场上做出正确的选择。