从下一代车规MCU厘清存储器的发展

汽车MCU软件设计 · 公众号 · · 2024-03-02 21:40

正文

1.车规MCU制程工艺朝28nm进发

2.MCU存储器概述

3.MCU大厂的选择

3.1 瑞萨自研STT-MRAM

3.2 ST专注PCM

3.3 英飞凌和台积电联手RRAM

3.4 NXP如何计划eNVM

4.小结

1.车规MCU制程工艺朝28nm进发

随着英飞凌发布了关于AURIX TC4xx系列即将量产的新闻，国际MCU大厂关于下一代跨域融合架构的车规MCU基本凑齐了。

而跨域融合对车规MCU算力要求的提升，MCU的制造工艺开始向更先进的制程迈进。

NXP采用TSMC 16nm FinFet技术推出了S32Z和S32E样品，分别用于区域控制和电动汽车(xEV)控制和智能驱动。

ST采用自家28nm FD-SOI技术推出了Stellar G和P系列，分别用于网关、控制等；

瑞萨早在18年就推出了基于28nm的集成eFlash技术的MCU，并在20年前后推出了涵盖车身、网关到动力控制的高性能MCU U2A\U2B。

可以看到，随着电子电气架构架构的演进，对车规MCU的算力、资源、性能的要求都提升了一个档次。

从目前掌握到的情况下，针对跨域融合产品，这几家MCU大厂均瞄准了如下几个方面：

针对加速车内报文的路由处理能力的硬件化设计；

针对跨域融合的MCU硬件虚拟化功能；

满足ISO\SAE 21434的信息安全解决方案；

针对MCU无感SOTA的优化设计

针对跨域融合的大容量存储器

针对新电子电气架构的高性能大算力的CPU

很明显，上述技术是需要更先进的制程工艺来满足的。理论上，制程工艺越小，单位面积能容纳的晶体管就越多，功耗相对就越小，因此选用28nm、22nm乃至16nm无可厚非。

不过，众所周知MCU迟迟在40nm徘徊，最主要的因素还是受限MCU内部的eFlash本身制程，即使台积电能够做到28nm的eFlash，产能也不见得能够释放给每家MCU大厂。

那么对于MCU的存储器，这几家国际大厂是如何考量的呢？

2.MCU存储器概述

在一款MCU中，有4类常见的存储器：

缓存：靠近核内的小型存储器，可以提升MCU取指或者读数据的性能；

SRAM：提高整体系统效率，属于高密度存储器，掉电数据丢失，价格不菲。

程序、数据存储：大容量NVM(Non-Volatile Memory)用于存储代码和数据，掉电不丢失。eFlash 是实现这一目的的首要选择。

密钥存储存储器：用于存储芯片ID、安全代码、SRAM 修复签名或模拟电路调试信息的小型 NVM。常见的如ROM、OTP存储器或 eFuses。

其层级结构和关联关系如下图：

在业界，一直有着买Flash送MCU的说法，可见eFlash对于MCU的重要程度，相较于片外Flash，eFlash运行效率更高，但是该技术在制造时所需工艺与数字、模拟电路所需的CMOS工艺还是有比较大区别。以常见的浮栅技术为例，eFlash需要额外的光罩层次，用于编程、擦除的电压通常大于5V，这些技术在28nm甚至更小的硅几何结构下不容易实现微缩化，因此给MCU往先进制程工艺的推进带来了阻碍。

因此业内开始考虑是否有替代或者优化eFlash的解决方案。

根据台积电和新思的官网介绍，目前关于NVM市场除了eFlash工艺，eNVM工艺也异军突起，它在CMOS工艺基础上生产出带NVM的芯片，主要有以下几种技术：

PCM(Phase-Change Memory)：相变存储器

STT-MRAM(Spin-Transfer Torque )：嵌入式自旋转移矩磁阻RAM

RRAM(Resistive RAM)：电阻随机存储器

3.MCU大厂的选择

瑞萨日前宣布，公司已基于STT-MRAM的电路技术开发出具有快速读写能力的测试芯片。该MCU 测试芯片采用 22 纳米工艺制造，包括一个 10.8Mbit嵌入式 MRAM 存储单元阵列。它实现了超过 200 MHz 的随机读取访问频率和10.4MB/s的写入吞吐量。

3.1 瑞萨自研STT-MRAM

STT-MRAM的基本架构如下：

它使用MTJ(Magnetic Tunnel Junction --磁隧道结)存储信息，而不是传统的电荷存储方式。

每个MTJ包含两个铁磁层和一个隧道势垒层。其中一个铁磁层(Fixed Layer--蓝色)具有固定的磁性方向，而另一个铁磁层(Free Layer--绿色)可以通过外部电磁场或自旋传递转矩改变其磁性方向。如果两个铁磁层具有不同的方向，则MTJ电阻高，表明“逻辑1”状态。如果两层具有相同的方向，则MTJ电阻为低，表示“逻辑0”状态。

STT-MRAM通过将自旋极化电流直接穿过MTJ结构来改变自由层的磁方向，意味着使状态反转的阈值电流将随着MTJ的尺寸变小而减小。

3.2 ST专注PCM

意法半导体的Stellar P\G系列使用PCM技术作为eNVM解决方案，应用到了28nm FD-SOI技术平台。所谓PCM，就是相变材料在焦耳热作用下在结晶体态和非晶态下转换，从而呈现不同阻态。

ST的PCM技术采用锗锑碲 (GST) 合金制造而成，且在制造过程中利用了材料可在非晶态和结晶态之间进行快速热控制变化的物理特性，分别对应逻辑"0"和逻辑"1"相对应。具体来讲可通过非晶态（逻辑0）的高电阻和结晶态（逻辑1）的低电阻进行电气区分。PCM支持在低电压下进行读写操作，并且具备单比特位可变更性，因此相较于eFlash更有优势。