ST汽车MCU：FD-SOI+PCM相变存储!

就像一个遍体鳞伤的职业拳击手，PCM不会屈服或放弃战斗。尽管PCM因美光3D XPoint和英特尔Optane的不幸遭遇而鼻青脸肿，但由于意法半导体(STMicroelectronics，简称ST)和三星的合作，它已经在微控制器领域找到了自己的出路。早在2018年，意法半导体就宣布，它正在为汽车市场提供采用28nm FD-SOI工艺制造的嵌入式PCM (ePCM)微控制器。现在，意法半导体宣布了下一代带有ePCM的汽车微控制器，由三星采用联合开发的18nm FD-SOI工艺结合意法半导体的ePCM技术制造。

ST专门针对汽车行业的ePCM微控制器，因为汽车行业比大多数其他微控制器应用具有更严格的环境温度要求。高温是PCM的致命弱点。PCM利用材料在非晶态和多晶态之间转换时的电阻变化：非晶态电阻高，多晶态电阻低。这两种状态创建了一个存储单元。来自同一位置的加热器的一个尖锐的、短的温度峰值使PCM存储介质呈现出非晶态，而一个较长的、较低的热脉冲使材料转变为多晶态，如下图所示。

根据意法半导体的PCM网页，该公司的PCM材料最高工作温度为165℃，至少适用于该公司的18nm汽车微控制器。

下图说明了PCM电池的设计。驱动这些PCM电池相变的加热器是埋在下面的双极晶体管。

将一个新的微控制器家族建立在一个有着悠久而粗略历史的存储器技术上似乎是有风险的，但ST是有办法的。自20世纪70年代微控制器首次出现以来，除了硬ROM版本外，它们主要基于某种可擦PROM （EPROM）单元。最早的微控制器使用紫外线可擦除的EPROM （UV-EPROM）单元。IC供应商将这些第一批可擦除的微控制器封装在带有石英窗口的封装中，以允许擦除和重用。为了降低设备的价格，他们会省略封装窗口，用相同的微控制器芯片创建一次性可编程设备。后来，当半导体行业掌握了可电擦除的EEPROM和闪存 EEPROM时，石英窗口的封装完全消失了。

随着行业沿着摩尔定律曲线下滑，闪存EEPROM单元的扩展并不好，这促使意法半导体寻找一种替代的非易失性存储技术，该技术适用于使用更先进的半导体节点制造的微控制器。一些微控制器制造商已经将其微控制器转向FeRAM或eMRAM。ST选择了ePCM。

ST对PCM并不陌生。2008年，ST与英特尔合资成立了一家新的非易失性半导体存储公司Numonyx。Numonyx存储芯片使用闪存EEPROM或PCM存储单元。这家新公司生产多种非易失性存储器，专门生产NOR闪存。Numonyx在2010年推出了90nm PCM器件。同年，美光以价值12.7亿美元的股票收购了Numonyx，并进入了PCM领域。美光很快停产了Numonyx PCM设备，后来又推出了与英特尔联合开发的不同系列PCM存储芯片。该公司将这些新的PCM设备命名为“3D XPoint”。英特尔推出了自己的3D XPoint PCM版本，名为Optane，将其打包成内存DIMM和SSD出售。

英特尔的Optane和美光的3D XPoint被定位为NAND闪存EEPROM的直接竞争对手，但PCM的经济性和NAND闪存设备的快速发展从未允许3D XPoint和Optane产品在大型非易失性存储器中具有成本竞争力。美光在2021年退出了PCM领域，英特尔在2022年关闭了Optane PCM。

ST对FD-SOI也并不陌生。该公司于2012年底开放了其28nm FD-SOI工艺的预生产订单。大约在同一时间，ST和格芯宣布，格芯将生产基于ST 28纳米和20纳米FD-SOI工艺技术的集成电路。三星于2015年获得ST的FD-SOI工艺技术许可，并于2022年宣布，他们将在ST位于法国Crolles的现有300毫米半导体工厂附近建立一个新的、联合运营的、支持FD-SOI的300毫米半导体制造工厂。从这段短暂的历史再回到ST最近发布的用于汽车应用的18nm FD-SOI微控制器。三星是该设备的初始代工厂，但ST/格芯在Crolles的合资工厂将作为替代制造来源。最近，随着汽车客户受到半导体供应链崩溃的重创，另一个供应来源看起来非常有吸引力。

ST一直对其新的18nm汽车微控制器的规格保持谨慎。新闻稿简单地说：

基于该技术的首款微控制器将集成最先进的ARM Cortex-M内核，为机器学习和数字信号处理应用提供增强的性能。它将提供快速灵活的外部存储接口，先进的图形功能，并将集成众多模拟和数字外设。它还将具有先进的、经过认证的安全功能，这些功能已经在ST最新的MCU上推出。”

当被问及处理器内核的名称时，ST的一位发言人提供了一个间接的答案，他说Arm目前最先进的Cortex-M处理器内核是Cortex-M85。该Arm处理器核心集成了Arm的Helium矢量处理扩展，可以加速图形、DSP和机器学习算法。与Arm的Neon SIMD矢量扩展相比，Helium是一种轻量级的矢量处理方法。Helium是一种比neon更轻的惰性气体，因此被命名于Arm Cortex-M架构的扩展。

Arm的“最先进的Cortex-M”处理器在ST的新18nm微控制器上的运行速度有多快？同样，ST没有具体说明。但微控制器供应商和竞争对手瑞萨最近推出了一个基于Cortex-M85处理器核心的微控制器系列RA8D1，其时钟频率为480MHz。瑞萨电子使用22nm工艺技术制造RA微控制器，因此，ST 18nm FD-SOI微控制器中的Cortex-M85内核可能比它运行得更快。

同样，ST的新闻稿没有提到新的汽车微控制器中包含的PCM或RAM的数量。为了寻找线索，我们可以看看ST的上一代基于FD-SOI和PCM的汽车微控制器。这些器件采用ST的28纳米Stellar微控制器系列。该家族中最大的成员是Stellar SR6 P6，它包含六个Arm Cortex-R52+处理器内核，多达2.3兆字节的SRAM，以及多达16兆字节的PCM，其中15.5兆字节的PCM专用于存储代码和数据，0.5兆字节的PCM专用于微控制器的硬件安全模块。Stellar SR6 P6微控制器还具有15.5 MB的shadow PCM，以适应OTA更新。

在从28纳米到18纳米FD-SOI工艺技术的跳跃中，预计ST应该能够轻松地将其新微控制器上的可用RAM和PCM数量增加一倍或四倍。最终，ST将为这些新的18nm FD-SOI微控制器提供附加信息的数据表。下一代FD-SOI工艺有望为业界（由三星、ST和格芯制造）提供一个新的有趣的应用，而PCM将进入下一轮半导体存储器的价格之战。