嵌入式Flash缩放限制

嵌入式非易失性闪存多年来一直在芯片中发挥着关键作用，但这项技术开始面临一些规模和成本方面的障碍，目前还不清楚下一步会发生什么。

嵌入式闪存用于多个市场，如汽车，消费和工业。但汽车行业似乎最担心这项技术的未来。通常情况下，一辆汽车集成了许多微控制器(mcu)，它们在芯片中执行处理功能。在许多情况下，mcu集成了基于NOR技术的嵌入式非易失性闪存，处理代码存储功能。然而，并不是所有的mcu /处理器都在汽车中嵌入了闪存。

基于40nm及以上工艺的嵌入式闪存的mcu广泛应用于当今的汽车。现在，该行业正在大力发展28纳米mcu，用于仪表盘、动力系统和车辆的其他部件。预计在未来几年，汽车制造商将使用基于28纳米及以上工艺的mcu。

尽管如此，原始设备制造商仍在权衡下一代的选择，这也是他们面临一些潜在障碍的地方。简单地说，NOR闪存器件和28nm以上的嵌入式版本技术很难规模化。“你将看到大量微控制器使用130nm或更大的工艺几何。这些对于嵌入式NOR来说完全没问题，”客观分析公司(Objective Analysis)的分析师吉姆·汉迪(Jim Handy)说。“现在促使人们做出改变的是，他们还没有弄清楚如何做小于28纳米的NOR工艺。”

油气行业已经意识到这些问题有一段时间了，并且正在研发各种解决方案。但随着汽车转向更先进的辅助和自动驾驶汽车，汽车行业迟早需要拿出解决方案。主要问题:

•嵌入式闪存将扩展到28纳米，甚至22纳米。一些公司正致力于将该技术扩展到16纳米/14纳米，尽管许多人认为它将在28纳米/22纳米上碰壁。
•如果嵌入式闪存耗尽动力，原始设备制造商可能会将代码存储功能转移到独立的NOR设备上。因此，原始设备制造商将需要一个双芯片解决方案——一个MCU和一个NOR设备。
•oem可以将单独的MCU和NOR设备放在一个包中，而不是双芯片解决方案。
•下一代内存类型MRAM被吹捧为嵌入式闪存和缓存应用的替代品。MRAM适用于消费类应用，但目前尚不清楚它是否能满足汽车的温度要求。有人说MRAM在汽车行业永远不会起作用。

可以肯定的是，汽车市场不同于大多数市场。在商业领域，对温度要求范围大的芯片有一定的缺陷容忍度。然而，在汽车芯片中，没有缺陷或故障的容忍度。此外，还有严格的温度规格。

汽车芯片增多
尽管如此，汽车芯片市场依然火热。根据IHS的数据，平均而言，每辆汽车的电子产品含量预计将从2013年的312美元攀升至2022年的460美元。根据IC Insights的数据，2018年汽车IC市场预计将达到323亿美元的历史新高，比2017年增长18.5%。据该公司称，在汽车领域，模拟电路是最大的市场，市场份额为45%，其次是mcu，市场份额为23%。

图1:汽车IC市场增长。来源:集成电路的见解

这只是故事的一部分，尤其是对mcu来说。”传感器随着用于汽车环境的更多mcu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，”David Hideo Uriu说，该公司的产品营销总监联华电子．随着传感器和传感器阵列在汽车领域的应用，以增强与安全、辅助驾驶、负载相关传感器和信息娱乐相关的功能，对带有嵌入式闪存的mcu以及其他asic的需求将会增加。”

今天的入门级汽车包含大约20个mcu。根据英飞凌和Strategy Analytics的数据，中端车型有60个mcu，豪华车有110个。据两家公司称，2016年的德国豪华车型有大约25个32位mcu，其余的是8位和16位芯片。

mcu结合嵌入式闪存，基于EEPROM或NOR。两者都提供代码存储，从而启动设备并允许其运行程序。“EEPROM和NOR之间的区别是每个比特单元(NOR)有一个晶体管还是每个比特单元(EEPROM)有两个晶体管，”Objective Analysis的Handy说。

除了mcu，汽车制造商也使用独立的NOR设备。无论如何，NOR体系结构有几种类型。例如,硅存储技术(SST)的子公司微芯片，提供基于浮栅技术的嵌入式闪存。在浮栅中，电荷被储存在栅中。此外，赛普拉斯和瑞萨还提供基于电荷阱技术的mcu，其中电荷存储在堆栈的氮化层中。同时，NXP和英飞凌销售不同嵌入式技术的mcu。

当然，汽车也包含其他类型的内存，如DRAM和NAND。“2017年，每辆车的平均内存容量为21美元。这个数字代表了2017年汽车内存总销量除以汽车总销量。它只考虑离散内存，不包括嵌入式内存，”Semico Research总裁吉姆·费尔德汉(Jim Feldhan)说。

“每辆车的内存容量从非常小的数量到L1和L2型汽车高达8GB的DRAM和8GB的NAND，”Feldhan说。“如今，配备自动驾驶功能的汽车数量很少。但自动驾驶应用程序正在增长，实现这些应用程序所需的内存内容增加了对所有类型内存的需求。到2021年，L3自动化汽车将需要16GB DRAM和256GB NAND，到2025年，全自动汽车(L5)预计将需要74GB DRAM和1TB NAND。”

无论如何，所有汽车芯片供应商都面临着一些挑战。KLA-Tencor的高级营销总监Robert Cappel说:“你不能让部件失效，因为这会影响安全。“所以你会看到一个完全不同的质量和产量水平。还有潜在的可靠性缺陷。一个部件可能会通过测试，但随着时间的推移会失效。要求正在改变。”

新选项
与此同时，在车辆中，微控制器被用于嵌入式计算机，称为电子控制单元(ecu)。ecu控制车辆中的各个域，这些域通过网络连接。ecu还结合了其他类型的芯片，如处理器和片上系统(soc)，这取决于应用程序。

一般来说，汽车行业将汽车分为五个领域:车身、连接、融合/安全、信息娱乐和动力系统。车身涉及到门、照明和窗户的控制。连接包括蜂窝网络、WiFi和相关功能。

融合/安全系统由摄像头和雷达组成。信息娱乐包括司机信息和娱乐。动力系统包括发动机控制和传动。

图2:汽车中的半导体功能。来源:联华电子

每个领域有不同的需求。例如，融合/安全领域可能会使用没有嵌入式闪存的高端处理器。相反，原始设备制造商将使用外部NOR芯片。

其他领域则不同。“汽车应用有三个方面——车身、仪表盘和动力总成——目前在mcu中使用嵌入式闪存。所有这些应用程序都使用28nm/40nm或更大节点的mcu，并带有嵌入式闪存，”赛press内存产品部执行副总裁Sam Geha解释道。

图3:需要多样化的硅技术。来源:联华电子

例如，瑞萨最近开始对业界首款带有嵌入式闪存的28纳米MCU进行采样。MCU集成了多达6个400 MHz的CPU核心和高达16兆字节的嵌入式闪存。该MCU的目标是电动汽车和混合动力汽车的动力系统以及电机控制功能。

一般来说，在前沿，40nm和28nm预计将成为汽车mcu的长期运行节点。尽管如此，瑞萨和其他公司看到了对28nm以上mcu的需求，并且有多种选择可供选择。

一种选择是缩放嵌入式闪存。在2016年IEDM的一篇论文中，瑞萨介绍了一种用于16nm/14nm finfet的嵌入式闪存技术。利用现有的电荷阱方案，该技术展示了在150摄氏度下的数据保留率。问题是:它要到2023年才会出现。

在28nm及以上，嵌入式闪存通常是一个平面状结构。相比之下，瑞萨的16nm/14nm嵌入式闪存位于垂直方向。

图4:瑞萨公司28nm嵌入式闪存电池的截面图。来源:IEEE固态电路杂志2016年1月，第51卷第1期

图5:瑞萨16nm/14nm嵌入式闪存横截面。来源:瑞萨

然后，在2017年IEDM的一篇论文中，瑞萨介绍了更多关于其技术的细节，称为FinFET SG-MONOS阵列。瑞萨公司的研究人员Shibun Tsuda在论文中说:“FinFET SG-MONOS阵列已经成功地使用了足够宽的程序和擦除窗口。”

在纸上看起来是可行的，但嵌入式闪存存在一些扩展挑战。“它们在40nm波长下都工作得很好。他们可以工作在28纳米，但它变得更加复杂，”Cypress的Geha说。“他们不能在低于这个水平的地方工作。你不能对它们积分finFETs”。

一般来说，扩展NOR具有挑战性。简单地说，NOR在调整漏极电压、栅极长度和隧道氧化物方面面临一些问题。

目前领先的独立NOR器件是45nm产品，正在研发32nm/28nm。“虽然我们的MirrorBit技术(Cypress对NOR电池技术的术语)已被证明可以在28nm/32nm节点上工作，但我们预计在不久的将来不需要转移到该节点。将NOR技术扩展到28nm以上是很困难的，而且不会提供投资回报率。”

然后，在嵌入式闪存中，每个节点需要更多的掩码，从而增加了成本。“添加嵌入式闪存非常昂贵，”Geha说。“在40nm时，你通常需要8到12或13个额外的掩模互补金属氧化物半导体来添加嵌入的flash。在28nm时，它变成了9到18个掩模。”

所以今天，嵌入式闪存扩展到28纳米，但它很昂贵。继28纳米工艺之后，晶圆代工厂正在开发22纳米工艺。因此，嵌入式闪存的下一步是22nm，这是28nm的缩放版本。

除了22nm之外，还有几种选择。一种想法是复制NAND扩展。平面NAND在1xnm节点上碰壁，促使业界开发3D NAND。

在3D NAND中，存储单元相互堆叠以扩大技术规模。业内也在探索类似的NOR概念，但尚不清楚所谓的3D NOR是否会出现。

当然，还有更多可行的选择。业界正在开发16nm/14nm及以上的mcu。假设嵌入式闪存不能扩展，原始设备制造商就会使用没有嵌入式闪存的MCU。因此，他们将在电路板上使用一个外部NOR设备，需要两个而不是一个芯片。

通常，双芯片解决方案提供了一些灵活性，使原始设备制造商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，消耗更多的电力，而且还会增加一些潜在的延迟和安全问题。

另一种选择是集成一个独立的MCU和NOR器件system-in-package(SiP)。SiP选项需要不同的供应链。例如，MCU供应商将购买NOR设备并将它们打包到SiP中。

“在包装中，你还需要能够在高温下生存，”Cypress的Geha说。“芯片的温度是125摄氏度，而芯片的温度必须是150摄氏度，因为你把芯片放在一个封装里。包装温度会升高15摄氏度。”

随着时间的推移，原始设备制造商将同时使用双芯片和SiP选项。“表现很重要。通常，使用嵌入式闪存，您希望它比通过外部接口更快。这需要优化，”Cypress闪存业务部门副总裁兼总经理Rainer Hoehler说。“这是权力的作用。这也是安全的一个功能。这也是一个成本问题。”

MRAM与此同时，这是另一个选择。该行业正在开发下一代MRAM技术自旋传递扭矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM利用电子自旋的磁性在芯片中提供非挥发性。它结合了SRAM的速度和闪存的非波动性，具有几乎无限的续航能力。

在传统存储器中，数据以电荷的形式存储。相比之下，MRAM使用磁隧道结存储单元作为存储元件。

图6:自旋转矩MRAM技术。来源:Everspin

制造stt - mram是一个具有挑战性的过程。这同样适用于其他下一代内存类型，如相变。该公司高级技术总监Alex Yoon表示:“它们包括嵌入其他电路时通常不用于标准CMOS生产的材料。林的研究在一篇博客中。“MRAM材料往往具有非挥发性副产物，最终可能沉积在晶圆上，导致短路并导致电池堆变锥形。”

不过，STT-MRAM芯片正在逐渐进入固态存储驱动器的市场。在这个应用程序中，温度要求不那么严格。

汽车行业则不同。UMC的Uriu表示:“任何将用于汽车mcu的新兴非易失性存储器都必须通过严格的可靠性规范。它必须满足焊料回流要求，高可靠性和超过20年的保质期。”“汽车应用要求125°，0级要求150°。我们认为150°(STT-MRAM)是可能的，但需要开发资源来实现这一目标。”

目前，STT-MRAM的温度规格范围为85°到105°C，低于汽车的要求。业界正在为STT-MRAM制定更高温度的规格，但这仍是一项正在进行的工作。

“使用MRAM的一件事是，你可以修改技术，并在诸如温度剖面，如何支持高温环境，以及设备运行速度等方面进行权衡。GlobalFoundries．“我们将(嵌入式MRAM)技术提升到了22纳米。然后，许多客户希望该设备能够解决回流流问题。焊料回流焊剖面已达到高温- 250°，260°或更高的时间延长。其中一个问题是，当我们这样做时，设备是否仍然可靠。这个问题已经解决了。”

汽车行业呢?Mason说:“随着时间的推移，我们将能够支持MRAM技术延长类似汽车的温度。”

有些人就不那么乐观了，至少对汽车应用来说是这样。Cypress的Geha说:“我自己也参与了MRAM的开发。“MRAM不能在高温下工作。不管人们怎么说，它都有问题。这是一种基于磁性的电池。一旦进入高温，磁性就会变差。它可能适用于一些消费产品。在高温下是行不通的。电阻随机存取存储器更糟糕。电阻式RAM适用于消费者，但它们甚至还没有达到工业级别。”

其他人的观点略有不同。SST的市场总监Vipin Tiwari说:“STT-MRAM正在取得良好的进展，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。”“然而，我不认为MRAM是嵌入式闪存的替代品，因为它不能做嵌入式闪存今天可以做的事情，这是对故障机制的深入理解、广泛的现场数据、磁免疫、耐力、保留和快速读取性能的结合。”

那么缩放嵌入式闪存呢?“28nm (planer)和14/16nm (finFET)技术之间存在很大的成本差异，因此采用存在一定的成本障碍。此外，14/16nm finFET技术上的嵌入式闪存集成将比之前的节点更具挑战性，因此我预计嵌入式闪存的开发过程将比之前的节点更长。假设基于14/16nm技术的嵌入式闪存平台可以在2022年获得认证，我们可以在2026年预计基于14/16nm技术的汽车mcu。话虽如此，14/16nm汽车MCU有可能使用晶圆或封装级集成，并将经过生产验证的28nm嵌入式闪存作为单独的芯片。在这种情况下，14/16nm MCU可能会在2026年之前问世。”

MRAM的家?
同时，如上所述，一些领域使用带有嵌入式闪存的mcu。

图7:仪表群系统级示意图。来源:柏树

其他域不使用mcu。相反，它们结合了更高端的应用处理器和soc。这些设备被用于各种领域，如高级驾驶辅助系统(ADAS)和高端信息娱乐系统。

这些处理器没有集成嵌入式闪存。相反，原始设备制造商将在电路板上使用一个外部NOR设备。处理器和NOR设备通过总线进行通信。

处理器集成静态存储器用于缓存的内存。SRAM存储数据和常用指令。SRAM速度快，但体积大且耗电。

这就是嵌入式STT-MRAM适合缓存的地方。“使用MRAM，由于比特单元比SRAM比特单元小得多，你可以在芯片上放置大量的MRAM，”Objective Analysis的Handy说。

这将减少空间和成本。“随着时间的推移，一些人会将MRAM视为嵌入式闪存的替代品。但这不是我们关注的重点。我们认为它的机遇在于它是一种非易失性SRAM，”NXP．

NXP提供了一款基于三星28纳米FD-SOI工艺的应用处理器。针对信息娱乐系统和仪表集群，该设备集成了SRAM和其他组件。

图8:另一仪器群图NXP

在未来，处理器将结合嵌入式MRAM。“当MRAM与FD-SOI结合时，我们看到了许多应用，”Martino说。“它不会是SRAM的替代品。但它是互补的，你可以引入MRAM来创建以更高性能为目标的非易失性RAM块。如果你能关闭(系统)并保留信息，你就拥有了最终的脱离状态的权力。如果你能把它和FD-SOI结合起来，你就可以有非常节能的活动状态，而且你有不耗电的内存保留状态。当电力越来越成为一个问题时，你可以创造一个非常引人注目的解决方案。”

但是STT-MRAM能满足汽车的温度要求吗?“MRAM技术在行业中的状态首先集中在将其带入较低温度的制造中。这将是85摄氏度或105摄氏度的温度范围。然后，下一个阶段将达到125摄氏度。”马蒂诺说道。“受益于嵌入式MRAM的第一批应用将是消费和工业领域。然后，随着时间的推移，你会看到MRAM在汽车领域的应用。”

当然，汽车制造商是保守的。他们不会转向一种新的内存类型，除非它符合规格。与此同时，原始设备制造商将尽可能扩展目前的嵌入式闪存。然后，当它失去动力时，游戏领域就敞开了，有几个选项摆在桌面上。显然，整车厂必须在高风险的汽车市场下正确的赌注。

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