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MCU三大新型存储器技术梳理

2022-11-29 17:40:25 综合报道 阅读:
目前越来越多的MCU厂商选择将新型的存储器集成在MCU中,从而突破传统闪存技术的限制,使MCU性能水平达到一个新的高度。

随着物联网(IoT)、5G、工业4.0等应用技术的提升,MCU所需处理的信息量呈现爆炸性的增长,各大厂商通过改进内核、集成AI等方式加速MCU的信息处理速度,但传统的闪存技术一直是限制MCU性能的瓶颈之一。这也促使各大厂商针对闪存技术展开研究,以期解决其两个方面的主要问题:一方面,闪存的制程难以扩展到40nm以下,而MCU却已经开始向28nm迈进,并且这些存储单元难以集成到非常复杂的高k金属栅极技术中;另一方面,车载MCU中集成的闪存的可擦写次数太少,随着每个写入和擦除周期,浮栅 NOR 单元中的隧道氧化物会退化并且泄漏会增加,从而加速闪存老化,使其不适合作为数据存储器。0Ecednc

此外,虽然闪存的出现改变了过去ROM所带来的擦除程序数据困难的问题,但嵌入式闪存仍需要较长的写入时间,部分原因在于需要在写入操作之前必须进行擦除操作,这样就会导致运行速度比闪存高两到三个数量级的主MCU必须等待存储器访问,而这些问题都有可能对MCU性能产生不利影响。所以目前越来越多的MCU厂商选择将新型的存储器集成在MCU中,从而突破传统闪存技术的限制,使MCU性能水平达到一个新的高度。0Ecednc

三大厂商三种选择

现今表现最突出的三种新型存储器分别是MRAM、RRAM和PCM。0Ecednc

MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)是一种非易失性(Non-Volatile,NVM)的磁性随机存储器。与大部分其它半导体存储器技术不同,MRAM中的数据以一种磁性状态(而不是电荷)存储,并且通过测量电阻来感应,不会干扰磁性状态。采用磁性状态存储有两个主要优点:其一,磁场极性不像电荷那样会随着时间而泄漏,因此即使在断电的情况下,也能保持信息;另外,在两种状态之间转换磁场极性时,不会发生电子和原子的实际移动,这样也就不会有所谓的失效机制。在MRAM中使用的磁阻结构非常类似于在硬盘中使用的读取方式。所以这使得它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力,以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度,而且基本上可以无限次地重复写入。0Ecednc

目前,主流的MRAM技术是STT-MRAM(自旋注入MRAM),作为MRAM的一种变体,其附近电子的自旋会影响MTJ(magnetic tunnel junction)的极性。与其他形式的MRAM相比,STT-MRAM具有更低的功耗和进一步扩展的能力,虽然STT-MRAM具有与DRAM和 SRAM相当的性能,比如即使切断电源,信息也不会丢失,而且和DRAM一样可随机存取;可擦写次数超过1015次,和DRAM及SRAM相当,大大超出了闪存的105次等。 0Ecednc

瑞萨电子主攻的就是STT-MRAM,并为其不断研发新技术。在去年年底的IEDM 2021上,瑞萨宣布确认在16 nm FinFET逻辑工艺嵌入式STT-MRAM测试芯片上降低了功耗并提高了写入操作速度。0Ecednc

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嵌入式STT-MRAM芯片照片(图源:瑞萨电子)0Ecednc

RRAM全称为Resistive Random Access Memory,电阻式随机存取存储器,是以非导性材料的电阻在外加电场作用下,在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的非易失性存储器。利用这种性质储存各种信息的内存,可显著提高耐久性和数据传输速度。0Ecednc

据相关报道,英飞凌下一代Aurix微控制器将使用嵌入式非易失性存储器,特别是RRAM,而不是嵌入式闪存,并将在台积电的28纳米节点上制造。新型存储器中,RRAM不仅满足高读写速度和存储密度的要求,同时延迟可降低1000倍,可满足未来智能驾驶高实时数据吞吐量。英飞凌声称,台积电提供的带有RRAM的Aurix微控制器将提供更高的抗扰度,并允许按位写入而无需擦除,从而实现优于嵌入式闪存的性能。0Ecednc

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英飞凌Aurix TC4x 采用RRAM (图源:英飞凌)0Ecednc

PCRAM又称PCM、OUM(Ovonic UnifiedMemory)和CRAM(Chalcogenide Random AccessMemory),是一种利用相变材料作为存储介质,通过相变材料在电流的焦耳热作用下,在结晶相态和非晶相态之间快速并可逆的转换时,会呈现出的不同电阻率这一特性来实现数据存储的技术。0Ecednc

PCM融合了DRAM内存的高速存取及flash闪存在关闭电源后保留数据的特性,被视为未来内存闪存的替代品。且因为PCM属于后段制程,容易与CMOS逻辑制程整合,不受组件微小化的规范,可以跨越制程可缩性的鸿沟。同时PCM可重复写入10万次以上,读写速度可达到现有闪存的1000倍,写入电压小于2V,读取电压小于1V,不需要复杂且高成本的升压电路设计,具有低耗电和低电压操作的特点。0Ecednc

在2018年时,意法半导体就曾表示,ePCM解决方案可以克服汽车对容量更大的嵌入式存储器的需求,其最高工作温度可达+165℃,能够确保在高温回流焊制程后其韧体/数据可完好保存,并且抗辐射,为数据提供更多的安全保护。到了2021年8月,意法半导体开始向主要车商交货其首批Stellar SR6系列车用MCU,计划于2024年量产。0Ecednc

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集成在 28nm FD-SOI 技术中的嵌入式 PCM 位单元的横截面(图源:意法半导体)0Ecednc

演进方向

根据三种新型存储器的不同特性可以看出其未来的演进和改善方向有着明显的差别。0Ecednc

对于传统的MRAM,由于在半导体器件中本身无法引入磁场,需要引入大电流来产生磁场,因而需要在结构中增加旁路。因此,这种结构功耗较大,而且也很难进行高密度集成,需要在性能和功耗之间进行权衡。同时MRAM的存储单元之间存在干扰,当对目标位进行编程时,非目标位中的自由层很容易被误编程,尤其是在高密度情况下,相邻单元间的磁场的交叠会愈加严重。0Ecednc

从密度、能效比、成本、工艺制程和良率各方面综合衡量,ReRAM存储器在目前已有的新型存储器中都具备明显优势。但RRAM最大的缺点是其严重的器件级变化性,RRAM器件状态的转变需要通过给两端电极施加电压来控制氧离子在电场驱动下的漂移和在热驱动下的扩散两方面的运动,使得导电丝的三维形貌难以调控,再加上噪声的影响,造成了器件级变化性。器件级变化性是制造可靠的芯片产品的关键问题。0Ecednc

PCM在组件特性、制程、应用等多方面优异的性能,让其率先登上了MCU的舞台,但是因为PCM涉及到相变,当一个器件单元中的相变材料处在高温熔化状态时,热扩散可能会使相邻的器件单元也发生相变,从而导致存储信息的错误,且材料发生非晶态和晶态之间的转变时,其体积会发生变化,进而可能导致相变材料和与其接触的电极材料发生剥离,器件失效。0Ecednc

不过小编相信,随着技术的不断演进这些劣势必将会被一一克服,新型的存储器所拥有的优特性:更高容量、更快读写速度、更低功耗、更多读写次数等,将会给MCU行业以及整个半导体市场注入新的生机,让我们拭目以待。0Ecednc

责编:Ricardo
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