大多數汽車 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省時間和金錢大多數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、由于現場返貨造成的損耗、長期數據保留、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,數據保留和耐用性的要求有所不同。為一個技術節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 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,不斷推動行業向前發展。

 

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
傳統的 EEPROM 架構支持字節寫操作,因而常常被需要頻繁更新數據的應用程序所用。通常,嵌入式閃存是按一定規則排列的一組存儲單元,又稱為扇區。扇區需要在寫入新數據前完全擦除。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 的耐擦寫次數通??蛇_到 100 萬次。過去,大多數 MCU 和智能卡應用所要求的耐擦寫次數均低于 10 萬次,但近來諸如 SIM 卡等應用的要求越發嚴格,耐擦寫次數需達到 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,并且大量的數據顯示,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。

 

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 以下節點,理由是存儲單元擴展面臨諸多困難和挑戰??扇缃袂度胧介W存已發展到 28nm 級,因此證明上述看法是錯誤的?,F在面臨的挑戰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 技術節點(甚至更?。┑?FDSOI 技術,可能會使嵌入式閃存的使用壽命比 28nm 節點更長。

  

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據可靠性而進行了優化,與之相比,采用 OTP 解決方案的大型存儲塊提供的數據保留時間通常沒有任何優勢。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點通常情況下,嵌入式閃存比領先技術節點晚兩代,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 解決方案的研發過程中,嵌入式閃存達到了 28nm 級。這種飛躍式的發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 技術節點和相關代工廠

 

所有無晶圓廠的 IDM 和許多只有小規模晶圓廠的 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點的差異化產品。