嵌入式flash IP如何占稳车用MCU的半壁江山

近日，雷军宣布小米进军汽车市场的爆炸性新闻让大家又一次聚焦到新型汽车这一领域。随着传统汽车向智能联网汽车和新能源汽车的转型，车辆所需要搭载的芯片越来越多；而另一方面，目前全世界范围内的汽车芯片短缺又在时刻提醒大家供需之间的越来越大的代沟。

那么，相对于大家熟知的消费级芯片，车规级芯片有什么不同的要求呢？

Automotive vs. Consumer^ref[1,2]

比较显而易见的是，对于车规级芯片来说，稳定性和安全性是压倒一切的。在车辆的使用过程中，发动机温度可能跨越-40°C到150°C的温度范围，这期间芯片始终都需要正常工作，而消费级芯片仅需满足0-85°C的跨度即可。与此同时，车规芯片的可靠性要求也比较高，一般手机使用寿命在3-5年，但一辆汽车至少需要能正常行驶15年。但是，由于汽车本身空间较大，对集成度的要求就没有消费级芯片那么高。它并不追求非常先进的工艺制程，而往往会优先考虑制程工艺的成熟度。所以虽然现今手机芯片制程已经普遍进入7nm，5nm等工艺节点，主流车规芯片还是采用40nm以上的成熟工艺。

如下图的Yole调查报告1所示，eNVM在车规芯片中主要用于存储，比如MCU中需要高速运算的代码等。eFlash由于其极强的可靠性，包括高达200K次的擦写操作以及20年的数据保存时间，再加上相对较低的价格，目前几乎占据了车载MCU的整壁江山。

Yole调查报告1^ref[3]

根据Precedence research的预测，整个MCU市场将在2027年达到480亿美元，而Yole 的市场调查报告2显示，仅2018年用于车载的MCU市场就约有60亿美元，占到整个MCU市场的33%。这个份额随着新型汽车的兴起必将持续增长。

Precedence市场预测

Yole调查报告2^ref[3]

下面我们来深入探讨一下目前主流的eNVM，看看为什么eFlash能主导车载MCU的解决方案。

目前常见的嵌入式的NVM有eFlash，eMRAM以及RRAM。Flash也因其架构不同，可分为NOR flash和NAND flash两类。在MCU中用到的eFlash需要NOR flash的随机访存特性，故下文提到eFlash均为NOR架构flash。 eMRAM具有多样性以及快速的读写时间等特点，但因为其存储单元为磁性隧道结(MTJ)，极易受到电磁干扰的影响，目前还没有应用到车规芯片中。RRAM作为一种eNVM，能够在改变电压的情况下，通过改变电解质的电阻进行存储。其可实现较快的读写速度，但非常依赖温度和电压来存储数据，在汽车电子的应用中并不可靠。

eFlash的可靠性相对于其他eNVM来说是非常出色的，并且在嵌入式技术中，大容量(Mbytes)flash的应用技术也非常成熟。Flash 存储单元主要功能是对浮栅进行电子的注入和擦除。下图为冠捷半导体(SST)的第三代flash存储单元，在原有传统的基础上增加了控制栅(CG)和擦除栅(EG)。在源极和漏极之间的硅衬底上形成贮存电子的浮栅(FG)。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的控制栅。数据是0或1取决于在硅衬底上形成的浮栅中是否有电子：有电子为0，无电子则为1。擦除栅上加正电压，使得浮栅与源极之间产生隧道效应，把注入至浮栅的负电荷吸引到源极。

Flash存储器在写入数据前需要进行删除数据初始化，即擦除功能。具体实现是将浮栅中的电子导出，使得将所有数据写“1”。写入时只有数据为0才可以写入，数据为1时不对存储单元进行操作。写“0”时，向控制栅以及源极加入高压，使其在源漏之间产生很强的电场，使沟道中的电子在水平加速运动的基础上提供一个垂直运动的能量，这样一来，电子就会突破氧化膜绝缘体，进入浮栅，完成写“0”的操作。读取时，在控制栅会施加一定的电压，电流大为“1”，电流小为“0”，实现逻辑“0”和“1”的区分。因FLASH存储单元读写的操作需要高压，因此可与RF,BCD以及BCD lite等模拟器件混合制造。同时，也因为其优良的可靠性以及数据保存能力，eFlash在汽车电子上的应用具有极强的优势。

eFlash Bit Cell^ref[4]

下表为格芯基于ESF3（Embedded SuperFlash3）结构设计的一款eFlash性能参数表。如表所示，该eFlash模块能正常工作在150°C下，证明其适合于车规芯片领域的应用。其次，格芯提出的这款解决方案能实现较大的存储容量，在如今数据量激增的环境中有着更加广阔的应用前景。除此之外，数据维持能力也是评价非易失存储器在汽车电子应用中的重要性能参数。在格芯目前最先进的工艺制程下，eFlash模块在系统掉电后，保存的数据可以在125度下维持长达10年不丢失。

格芯40nM eFlash IP性能参数^ref[5]

格芯40nM eFlash IP^ref[5]

格芯在eFlash的开发过程中逐步对电路做了改良，以减小IP面积，提高竞争力。 在读电路的灵敏放大器设计上，创新性的采用了非对称的两端输入方式，将灵敏放大器面积几乎减半的同时也极大减小读操作的功耗。在IO数目较多的IP中，整体面积和读操作的功耗都能减小20%。根据这一创新所撰写的专利正在申请中。与此同时，多个片区共享驱动的方案也已经运用在现有IP中。

目前， 格芯已经成功推出基于130nm，55nm和40nm工艺平台的eFlash IP，其中130nm采用ESF1 bitcell，55nm和40nm采用ESF3作为基本存储单元。这些IP都已经通过auto G1（环境温度-40°C-125°C， 结温150°C）的车规认证测试。其中，基于130nm BCD平台的eFlash还通过了更严格的auto G0（环境温度-40°C-150°C，结温175°C）车规认证。多款IP的成功认证揭示出格芯在嵌入式非易失存储领域有着深厚的积累和经验。与此同时，在多年的市场推广中，格芯同国际知名车用芯片提供商建立了长期的合作关系。我们有理由相信，格芯能在未来提出更多优秀的嵌入式存储解决方案。

AEC-Q100工作温度等级标准^ref[6]

Reference：

[1] Joint Electron Device Engineering Council(JEDEC), "JESD84 "

[2] International Organization for Standards(ISO), "Road Vehicles - Functional Safety, ISO26262"

[3] Yole Development, "Emerging Non-Volatile Memory, Market and Technology Report 2021"

[4] GLOBALFOUNDRIES, "Embedded Memory: eMRAM, eFlash, SIP Versatile and Reliable"

[5] D. Shum et al.(GLOBALFOUNDRIES) "40nm Embedded Self-Aligned Split-Gate Flash Technology for High-Density Automotive Microcontrollers", 2017 IEEE International Memory Workshop (IMW).

[6] Automotive Electronics Council Component Technical Committee, "FAILURE MECHANISM BASED STRESS TEST QUALIFICATION FOR INTEGRATED CIRCUITS "