中文 英语

嵌入式闪存缩放限制

NOR延伸至28nm以下可能不会发生;不清楚汽车的影响。

受欢迎程度

嵌入式非易失性闪存多年来一直在芯片领域扮演着关键角色,但该技术开始面临一些规模和成本方面的障碍,目前还不清楚接下来会出现什么。

嵌入式闪存应用于多个市场,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,一辆汽车包含许多微控制器(mcu),这些微控制器在芯片中执行处理功能。在许多情况下,微处理器集成了基于NOR技术的嵌入式非易失flash,它处理代码存储功能。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工艺及更高的嵌入式闪存的MCU被广泛用于当今的汽车。现在,该行业正在增加28nm MCU,用于仪器集群,动力列车和车辆的其他部件。预计汽车制造商将根据未来几年基于28nm及以上的MCU使用。

尽管如此,OEM仍在称重下一代选项,这就是他们面临一些潜在的障碍的地方。简单地说,它难以扩展,闪存设备和嵌入式技术的技术超过28nm。“您将看到使用130nm或更大的过程几何形状发布的大部分微控制器。嵌入式也很好,嵌入式也很好,“客观分析的分析师Jim Handy表示。“现在正在驾驶人们改变的事情是他们还没有想到如何做的也没有小于28nm。”

该行业已经知道这些问题有一段时间了,并正在研发几个解决方案。但随着更先进的辅助和自动驾驶汽车的出现,汽车行业需要尽快拿出解决方案。主要问题:

•嵌入式闪光灯将缩小为28nm,也许是22nm。有些人正在努力将技术缩放到16nm / 14nm,虽然许多人认为它将在28nm / 22nm击中墙壁。
•如果嵌入式闪存耗尽蒸汽,OEM可能会将代码存储功能移动到独立的NOR设备。因此,OEM将需要双芯片解决方案 - MCU和A或设备。
•代替双芯片解决方案,OEM可以将单独的MCU和封装中的设备放入。
•MRAM,下一代内存类型被吹捧为嵌入式闪存和缓存应用程序的替代品。MRAM在消费者应用中工作,但它仍然不清楚是否会达到汽车的温度要求。有人说MRAM永远不会在汽车中工作。

可以肯定的是,汽车与大多数市场不同。在商业领域,芯片中有一定的缺陷具有各种温度要求的缺陷。然而,在汽车芯片中,缺陷或失败没有容忍。此外,还有刚性温度规格。

更多的汽车芯片
尽管如此,汽车芯片市场很热。根据IHS的数据,平均而言,每辆车的电子产品含量预计将从2013年的312美元攀升至460美元。据IC见解,总共预计汽车IC市场将达到2018年的323亿美元,从2017年达到323亿美元。根据公司的说法,在汽车中,模拟是最大的市场,其次是45%的份额,其次是MCU,均为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,特别是对mcu来说。”传感器和汽车环境的其他MCU部署,对嵌入式闪光的需求在两个设备上都在增加,并且还在内存密度方面也在增加,“David Hideo Uriu表示,产品营销总监联华电子。“对于具有嵌入式闪光的MCU以及其他ASIC的需求将随着传感器和传感器阵列在汽车空间内实现,以增强与安全性,辅助驾驶,负载相关传感器和信息娱乐相关的功能。”

今天的入门级汽车包含了大约20毫升。根据英飞凌和战略分析的说法,中间型号有60个MCU,奢侈品最多110辆。根据公司的说法,2016年德国豪华模型有大约25个32位的MCU,而剩余时间是8位和16位筹码。

单片机采用了基于EEPROM或NOR的嵌入式flash。两者都提供代码存储,引导设备并允许其运行程序。“EEPROM和NOR的区别在于它是有一个晶体管/位单元(NOR)还是两个晶体管/位单元(EEPROM),”Objective Analysis的Handy说。

除了MCU外,汽车制造商还在使用独立和设备。无论如何,有几种类型的或架构。例如,硅存储技术(SST)是一个附属公司微芯片,提供基于浮动门技术的嵌入式flash。在浮动栅中,电荷储存在栅中。此外,赛普拉斯和瑞萨提供基于电荷捕获技术的微控制器,电荷存储在堆栈的氮化层中。与此同时,NXP和英飞凌销售的微处理器采用不同的嵌入式技术。

当然,汽车也包含其他内存类型,如DRAM和NAND。2017年,每辆车的平均存储容量为21美元。这个数字代表了汽车内存总销量除以2017年的汽车总销量。它只考虑离散记忆,不包括嵌入式记忆,”Semico Research总裁吉姆·费尔德汉说。

“每辆车的记忆内容从每辆车的非常少量的数量不同,而L1和L2型车辆的8GB DRAM和8GB的NAND,”Feldhan说。“今天,配备自动驾驶能力的汽车数量很低。但自动驾驶应用程序正在增长,并且启用这些应用程序所需的内存内容会增加对所有类型的内存的需求。到2021年,具有L3自动化的车辆将需要16GB DRAM和256GB NAND,到2025,预计将需要74GB DRAM和1TB NAND的完全自主车辆(L5)。“

无论如何,所有汽车芯片供应商都面临着一些挑战。KLA-Tencor高级营销总监罗伯特•卡佩尔(Robert Cappel)表示:“你不可能让零部件失效,因为这会影响安全性。”“所以你会看到质量和产量有很大不同。同时也关注潜在的可靠性缺陷。汽车中的一个部件可能通过测试,但随着时间的推移会失效。需求正在发生变化。”

新选择
同时,在车辆中,MCU用于嵌入式计算机,称为电子控制单元(ECU)。ECU控制通过网络连接的车辆中的各个域。ECU还包括其他类型的芯片,例如处理器和系统上芯片(SOC),具体取决于应用程序。

一般来说,该行业将汽车划分为五个域 - 身体,连接,融合/安全,信息娱乐和动力列车。身体涉及控制门,照明和窗户。连接包括蜂窝,WiFi和相关功能。

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


图2:汽车中的半导体功能。资料来源:UMC

每个域都有不同的要求。例如,融合/安全域可能会使用没有嵌入式闪光的高端处理器。相反,OEM将使用外部或芯片。

其他领域是不同的。“目前有三种汽车应用——车身、仪表集群和动力总成——使用嵌入式闪存和mcu。所有这些应用都使用28nm/40nm或更大节点的mcu,并嵌入flash。”


图3:所需的多样化硅技术。资料来源:UMC

例如,瑞萨最近开始试用业界首款带有嵌入式闪存的28nm MCU。该MCU包含多达6个400mhz CPU核,最多16兆字节的嵌入式闪存。该单片机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被认为是汽车mcu的长时间运行节点。尽管如此,瑞萨和其他公司仍然认为,除了28nm之外,还需要更多的微处理器,目前有多种选择可供选择。

一个选项是缩放嵌入式闪存。在2016年IEDM的一篇论文中,瑞萨描述了16nm / 14nm的FinFet的嵌入式闪光技术。使用其现有的充电陷阱方案,该技术在150摄氏度下展示了数据保留率。这是捕获量:它不会出现在2023之前。

在28nm及更高时,嵌入式闪光灯通常是平面的结构。相比之下,瑞萨的16nm / 14nm嵌入式闪光位于垂直方向。


图4:横截面瑞萨的28nm嵌入式闪存。来源:固态电路IEEE杂志,第51卷第1期,2016年1月


图5:横截面瑞萨'16nm / 14nm嵌入式闪光。来源:瑞萨

然后,在2017年在IEDM的一篇论文中,Renesas介绍了有关其技术的更多细节,称为FinFET SG-Monos阵列。“FinFET SG-Monos阵列已成功运行了足够宽的计划和擦除窗口,”瑞萨的研究员Shibun Tsuda说,在纸巾中的一名研究员。

它看起来很可行,但嵌入式闪光有一些缩放挑战。“他们都在40nm上工作。他们可以在28nm工作,但它变得更加复杂,“赛普拉斯”Geha说。“他们不在那之下工作。你不能将它们整合在一起finfets.”。

通常,规模挑战也不是。简单来说,就缩放漏极电压,栅极长度和隧道氧化物而言也没有面临一些问题。

当今最先进的独立NOR器件是45nm产品,研发的是32nm/28nm。“虽然我们的MirrorBit技术(赛普拉斯公司对NOR电池技术的术语)已经被证明可以在28nm/32nm节点上工作,但我们预计近期内不需要转移到这个节点上。将NOR扩展到28nm以上是困难的,而且不会带来投资回报率。”

然后,在嵌入式闪存中,它需要每个节点更多的掩码,从而提高成本。“添加嵌入式闪光灯非常昂贵,”Geha说。“在40nm时,通常需要8到12或13个额外的面具CMOS.来添加嵌入的flash。在28nm时,它变成了9到18个掩膜。”

所以今天,嵌入式闪存扩展到28nm,但它很昂贵。在28nm之后,铸造厂正在开发22nm工艺。所以,嵌入式flash的下一步是22nm,这是28nm的缩放版本。

除了22纳米之外,还有几种选择。一个想法是复制NAND扩展。平面NAND在1xnm节点上碰壁,促使行业开发3D NAND。

在3D NAND中,存储器单元堆叠在彼此顶部以缩放该技术。该行业正在探索类似的想法,但如果所谓的3D也不清楚,也不明确。

可以肯定的是,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flash无法扩展,那么oem将使用没有嵌入式flash的MCU。所以他们会在电路板上使用外部NOR设备,需要两个芯片而不是一个。

通常,双芯片解决方案提供了一些灵活性,使OEM能够使用来自多个供应商的芯片。但这种方法也占用了船上空间并消耗更多的电力,它增加了一些潜在的延迟和安全问题。

另一种选择是将一个独立的MCU和NOR设备集成在系统内容(啜)。SIP选项需要不同的供应链。例如,MCU供应商将购买NOR设备并将其包装在SIP中。

“在一个包裹里,你还需要能够在高温下生存,”赛普拉斯的格哈说。“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中。包裹会变热15摄氏度。”

随着时间的推移,oem将同时使用双芯片和SiP选项。“表现起了很大的作用。通常,使用嵌入式flash时,您希望它比使用外部接口更快。这需要优化,”赛普拉斯Flash业务部副总裁兼总经理Rainer Hoehler说。“这是一种权力功能。这也是一种安全功能。这也是一个成本问题。”

MRAM同时,是另一种选择。该行业正在开发一个名为下一代MRAM技术旋转转移扭矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM利用电子自旋的磁性来提供芯片的非挥发性特性。它结合了SRAM的速度和闪存的无波动性,具有几乎无限的持久性。

在传统的存储器中,数据以电荷的形式存储。相比之下,MRAM使用一个磁隧道结存储单元作为存储元件。


图6:旋转传递扭矩MRAM技术。来源:Everspin

制作stt - mram是一个具有挑战性的过程。这同样适用于其他下一代存储类型,比如相变。该公司高级技术总监亚历克斯·尹(Alex Yoon)表示:“这些材料在嵌入其他电路时,通常不用于标准CMOS生产。林研究所,在博客上。MRAM材料往往具有不易挥发的副产品,可能会沉积在整个晶圆上,导致短路并导致电池堆变细。”

不过,STT-MRAM芯片正在逐步进入固态存储驱动器市场。在这个应用程序中,温度要求没有那么严格。

汽车不同。“任何用于汽车MCU的新兴的非易失性存储器都必须通过强硬的可靠性规范。它必须符合焊料回流要求,高可靠性和货物生活大于20年,“UMC的Uriu说。“汽车应用需要125°,0级需要150°。我们觉得有150°是可能的(带有STT-MRAM),但它需要发展资源来实现这一目标。“

如今,STT-MRAM的温度规格范围为85°至105°C,低于汽车的要求。该行业正在为Stt-MRAM的更高的温度规格,但它仍然是一项正在进行的工作。

“使用MRAM的好处之一是,你可以修改技术,在温度曲线、如何支持高温环境和设备运行速度等方面进行权衡,”苹果公司(apple inc .)嵌入式内存高级总监马丁·梅森(Martin Mason)说GlobalFoundries。“我们将(嵌入式MRAM)技术拿到22纳米。然后,许多客户希望设备解决回流配置文件。焊料回流型材已经实现了高温-250°,260°或更高的时间延长了。当我们这样做时,设备将仍然可靠的问题。这个问题已经解决了。“

汽车怎么样?Mason表示:“随着时间的推移,我们将能够支持MRAM技术在类似汽车温度的情况下延长工作时间。”

至少对于汽车应用来说,有些人并不乐观。“我自己研究过MRAM,”赛普拉斯·格哈说。“MRAM在高温下不能工作。不管人们怎么说,它都有问题。这是一个磁性电池。一旦温度升高,磁性会变差。它可能适用于一些消费产品。它在高温下永远不能工作。电阻RAM.就更糟了。电阻式内存适用于消费者,但它们甚至达不到工业水平。”

其他人的观点略有不同。“STT-MRAM正在取得良好的进展,它在市场上有一个地方,例如L3 / L4缓存或用于NVSRAM应用程序,”SST营销总监Vipin Tiwari说。“However, I don’t see MRAM as an embedded flash replacement, because it can’t do what embedded flash can do today, which is a combination of deep understanding of failure-mechanisms, extensive field data, magnetic immunity, endurance, retention and fast read performance.”

缩放嵌入式闪光怎么样?“28nm(刨床)和14/16nm(FinFET)技术之间存在大的成本差异,因此采用有一定的成本障碍。此外,14/16MINFET技术上的嵌入式Flash集成将比先前的节点更具挑战性,因此我希望嵌入式闪存开发过程需要比先前节点更长。假设嵌入式Flash平台14/16nm技术可以符合2022年,我们可以预期2026年的基于14/16nm的汽车MCU。说,14 / 16nm汽车MCU可能使用晶圆或包装级集成通过生产验证的28nm嵌入式闪光作为单独的模具。在这种情况下,14/16nm MCU可以在2026中看到,“Tiwari说。

MRAM的家?
与此同时,如上所述,一些域使用带有嵌入式flash的mcu。


图7:仪器集群系统级图。来源:柏树

其他域不使用mcu。相反,它们整合了高端应用处理器和soc。这些设备应用于各种领域,如高级驾驶员辅助系统(ADAS)和高端信息娱乐系统。

这些处理器不会集成嵌入式闪存。相反,OEM将在电路板上使用外部或设备。处理器和设备在总线上通信。

处理器集成SRAM.缓存内存。SRAM存储数据和常用说明。SRAM很快,但它很大而消耗电力。

这就是嵌入式stt-mram适合缓存的地方。“通过MRAM,因为位细胞比SRAM位小区要小得多,你可以将大量MRAM放在芯片上,”客观分析“方便说。

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。但这并不是我们关注的重点。我们认为非易失SRAM是一个机遇。恩智浦

NXP提供了一款基于三星28nm 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:另一个仪器集群图来源:恩智浦

将来,处理器将包含嵌入式MRAM。“将MRAM与FD-SOI结合起来时,我们看到许多应用程序,”Martino说。“这不是一个SRAM替代品。但它将是互补的,在那里你带来MRAM创建针对更高性能的非易失性RAM块。如果您可以关闭(系统)并保留信息,则您可以获得最终的断开状态。如果可以使用FD-SOI将其与之合并,则可以具有非常高效的活动状态,并且您可以获得没有电源的内存保留状态。您可以创建一个非常引人注目的解决方案,因为电源变得更像是一个问题。“

但它会遇到汽车的温度规格吗?“行业中MRAM技术的状态首先重点集中,将其带入较低温度下的制造。这将是在85或105摄氏度温度范围内。然后,将有一个下一阶段,使它能带来125摄氏度,“Martino表示。“从嵌入式MRAM受益的第一个应用程序将是消费者和工业的。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,汽车制造商是保守的。除非符合规格,否则他们不会转向新的内存类型。与此同时,oem将尽可能地扩展现有的嵌入式闪存。然后,当它失去动力的时候,游戏的空间就会大开,有几个选择摆在桌面上。显然,oem必须在高风险的汽车市场上做出正确的选择。

有关的故事
下一个也是闪光的?
四个铸造厂返回MRAM
蚀刻下一代存储类内存的技术
新的嵌入式记忆即将到来



3评论

艾伦rasafar. 说:

伟大的文章。感谢您分享此详细报告。

布鲁斯苏 说:

NOR和嵌入式flash营销分析的有趣和详细的见解。到目前为止,独立的双芯片解决方案仍然是主流。严格的汽车要求仍然会限制设备的扩展和其他相关的新兴内存。

NVM客户 说:

MRAM现在的编程电流比NOR Flash低吗?

发表评论


(注意:此名称将公开显示)