车载MCU,又要变天了

事实上,三种新型存储器不能简单粗暴地分出好坏,每种新型存储技能点分配都不一样,换句话说,就是侧重点并不一样:

RRAM:比MRAM和PRAM研究稍晚。

MRAM:一共三代MRAM/STT-MRAM/SOT-MRAM。//mp.weixin.qq.com/s/S5DspoucRS5-SwMJsrIQdw
[10] 汽车MCU软件设计:从下一代车规MCU厘清存储器的发展.2024.3.2.https。

要说MCU未来两年还能怎么变?除了加入AI加速器,或者从Cortex-M核心切换到RISC-V核心,就是集成新型存储器。

2月28日,英飞凌宣布新一代MCU AURIX TC4x 即将量产,与传统MCU不同,本代产品引入 RRAM 非易失存储介质(NVM)。无独有偶,ISSCC 2024上,瑞萨宣布已开发出用于嵌入式(包括MCU)的STT-MRAM电路技术的测试芯片。而早在2022年,意法半导体就发布Stellar P6车规MCU,彼时产品中就采用了PCM。

这预示着新型存储的MCU终于要正式和我们见面,MCU制程技术要全面朝28nm以下进发,而第一个将要改变的市场,就是车载MCU市场。

车载MCU升级的另一条路

你我都知道,在MCU中有许多存储器,而这些存储器共有两种类型:一种是eDRAM 、SRAM之类的易失性存储器,一种是EEPROM、嵌入式闪存(eFlash)这种非易失性存储器(NVM)在典型的MCU片上系统(SoC)中,有四种类型的存储器: 

  • 缓存存储器:使用触发器或SRAM设计的小型存储器。它们需要高速读写操作和非常高的耐久性;

  • 数据存储器:高容量存储器,用于将数据馈送到处理单元,旨在提高整体系统效率。这些是高密度存储器,通常是SRAM;

  • 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修调信息的小型 NVM。它们不需要高耐久性;因此,ROM、基于反熔丝的一次性可编程(OTP)存储器或 eFuses 通常用于这些存储器;

  • 代码和数据存储存储器:高容量NVM存储启动代码、固件和数据。随着 AI/ML、IoT 和自动化的进步,存储器容量也在不断增加,而功耗也变得至关重要。以前,嵌入式闪存(eFlash)是实现这一目的的唯一选择。

MCU设计的方块图,图源丨新思科技

但总结起来,传统集成在MCU中的嵌入式闪存(eFlash)有三点劣势:

第一,限制MCU本身的制程。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。不过,大家都知道,MCU一直在40nm徘徊,最主要的因素还是受限MCU内部的嵌入式闪存(eFlash)本身制程。闪存的制造工艺扩展到40nm以下非常困难,不仅要考虑各种参数和成本,同时很难集成到非常复杂的高K金属栅极技术中。

第二,行业对于MCU存储容量的需求在增加。随着跨域融合对车规MCU算力要求的提升,汽车MCU需要的NVM存储容量越来越高,新型存储有着比闪存更高的容量提升空间。

第三,嵌入式闪存寿命越来越不适宜现有需求。在汽车应用中,集成到板载MCU中的闪存的可重写次数太少,随着每次写入和擦除周期,浮栅NOR单元中的隧道氧化物会退化,漏电会增加,从而加速闪存的老化,因此闪存越来越不适合作为数据存储器。

因此,越来越多的MCU制造商选择集成新型存储器,解决上述几个问题,并扩展MCU的制程继续向前发展,不断突破28nm、22nm乃至16nm。

三种存储,三种流派

目前,市场共有三种新型存储器已经开始用在MCU内——RRAM(阻变存储)、MRAM/STT-MRAM(磁性存储器)、PCM(PCRAM,相变存储器)

第一种是RRAM(阻变存储),英飞凌是这条路线上的最大玩家。

2021年底英飞凌宣布推出TC4XX系列;2022年11月和台积电完成RRAM的量产研发;2023年将RRAM和逻辑器件结合,今年年初正式量产。

据介绍,市场上的大多数MCU系列均采用嵌入式闪存技术。作为下一代嵌入式存储器,RRAM可以进一步扩展至28nm及以下。

RRAM具有很高的抗干扰性并且允许在不需要擦除的情况下进行逐位写入,其耐久性和数据保持性能堪比闪存技术。引入RRAM将为MCU提高性能、减少功耗和节约成本以及进一步小型化创造了巨大的潜力。

第二种是MRAM/STT-MRAM(磁性存储器),瑞萨和恩智浦是主要推进者。

2022年6月瑞萨在VLSI大会上宣布推出STT-MRAM的22纳米制造工艺技术;ISSCC 2024上,宣布已开发出用于嵌入式自旋转移矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)的电路技术,具有快速读写操作的测试芯片。

据介绍,采用22nm嵌入式MRAM工艺制造了具有10.8 Mbit MRAM存储单元阵列的原型MCU测试芯片。对原型芯片的评估证实,在125°C的最高温度下实现了超过200MHz的随机读取访问频率和10.4 MB/s的写入吞吐量。

2023年5月,恩智浦与台积电推出汽车级16nm的FinFET工艺的MRAM,下一代MCU将会采取此项技术,预计在2024年底或2025年初量产。

据介绍,Flash存储器更新20MB的代码需要约1分钟时间,而MRAM只需3秒左右,最大限度地缩短软件更新带来的停机时间,汽车厂商能够消除模块长时间编程引起的瓶颈。此外,MRAM提供多达一百万个更新周期,耐久性超过闪存和其他新兴存储器技术的十倍,为汽车失效缺陷提供高度可靠的技术。

第三种是PCM(PCRAM,相变存储器),意法半导体是主要推进者。

2022年9月,意法半导体全新推出Stellar P 系列车规MCU,Stellar P6由自营晶圆厂制造,采用高能效28nm FD-SOI技术,内嵌容量高达20 MB的相变(非易失性)存储器(PCM)

据介绍,Stellar P6采用高能效28nm FD-SOI技术,内嵌容量高达20MB的相变(非易失性)存储器(PCM)。按照严格的汽车高温工作环境、抗辐射和数据保存要求开发测试,PCM具有闪存没有的单比特覆写功能,使得访存速度更快。

那么,三种存储,孰强孰弱?

事实上,三种新型存储器不能简单粗暴地分出好坏,每种新型存储技能点分配都不一样,换句话说,就是侧重点并不一样:

  • RRAM:比MRAM和PRAM研究稍晚;擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定,一般小于100ns;读写采用可逆无损害模式,可以大大提高使用寿命;部分RRAM材料具备多种电阻状态,可进一步提高存储密度;

  • MRAM:一共三代MRAM/STT-MRAM/SOT-MRAM;制造成本高于RRAM,不过具备更高的可靠性和更低的可变性导致面积效率和稳健设计;写入时间可低至2.3ns,并且功耗极低;MRAM本身具备非易失性,但铁磁体磁性断电不会消失,故MRAM和DRAM一样可以无限次重写;具备在逻辑电路上构造大规模内存阵列的潜力;

  • PCM:低延时、读写时间均衡、功耗低;读写具备非破坏性,耐写能力强;部分PCM采用非晶体管设计,可实现高密度存储;此外,PCM与材料带电粒子状态无关,故其具有很强的抗空间辐射能力。

四类新型非易失性存储器与NAND Flash指标综合对比图,图源丨科技中国

可以看出,三种路线中,所有巨头的时间点都是2024年,同时瞄准的市场也都是汽车MCU。

车载MCU尝鲜后的未来

为什么这种变革先发生在车载领域?因为汽车架构的改变以及算力需求,导致市场需要更高性能、更高存储容量的MCU。具体来说,几家厂商的新型存储产品瞄准的方向在于以下几个方面:

  • 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ISOSAE 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。

相信未来,随着AI需求的扩大,下游智能设备的改变,新型存储成本和技术成熟度不断向前推进,未来新型存储也会逐渐扩展到整个MCU领域。而届时,整个MCU的制程也将不断向前推进。

参考资料

[1] 佐思汽车研究:垄断智能驾驶,英飞凌最新MCU之TC4XX系列开始量产.2024.3.4.https://mp.weixin.qq.com/s/ve9ns0e9NU1EfPmheUOWOA

[2] 半导体行业观察:MCU三巨头,三种选择.2022.11.29.https://mp.weixin.qq.com/s/vsoiKIMQXWvcECPQfZ0xug

[3] 英飞凌汽车电子生态圈:英飞凌新一代MCU AURIX™ TC4x 即将量产.2024.2.28.https://mp.weixin.qq.com/s/xFL1_73GfrZSV7W-NTu0zQ

[4] 意法半导体中国:ST发布Stellar P6车规MCU,赋能电动汽车平台系统集成.2022.9.8.https://mp.weixin.qq.com/s/_mf3ODDP8mR6cQgTzd_85w

[5] NXP客栈:行业首创!恩智浦携手台积电,推出汽车级16纳米FinFET嵌入式MRAM.2023.5.6.https://mp.weixin.qq.com/s/YtaTol8yZOcwU01CZADKcg

[6] 傅耀威,丁莹,薛堪豪,安萌,刘庭煜.非易失半导体存储器技术发展状况浅析[J].科技中国,2021,(04):38-40.

[7] Which of the New Memory is Better for the Demands of the MCU Market?.https://www.hardfindelec.com/a/48020.html

[8] 新思科技:https://www.synopsys.com/zh-cn/designware-ip/technical-bulletin/future-nvm-memories.html

[9] 半导体芯闻:将MRAM用到MCU,瑞萨重磅宣布.2024.2.22.https://mp.weixin.qq.com/s/S5DspoucRS5-SwMJsrIQdw

[10] 汽车MCU软件设计:从下一代车规MCU厘清存储器的发展.2024.3.2.https://mp.weixin.qq.com/s/Fs8C5zJbMoeam3kfJxVkLA

本文来自微信公众号:电子工程世界(ID:EEworldbbs),作者:付斌

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