嵌入式非易失性存儲(chǔ)器在SoC物理設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：嵌入式非易失性存儲(chǔ)器以其同時(shí)具備數(shù)據(jù)可更改性及掉電保存性而已被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于SoC物理設(shè)計(jì)。文中結(jié)合一款電力網(wǎng)控制芯片R36的實(shí)際設(shè)計(jì)案例，分析了該器件的應(yīng)用特點(diǎn)，并從用途、性能、容量選擇等方面說(shuō)明了通過(guò)非易失性存儲(chǔ)器對(duì)降低芯片成本、提高速度及可靠性應(yīng)用方法。
關(guān)鍵詞：非易失性存儲(chǔ)器；電可擦除只讀存儲(chǔ)器；閃存；片上系統(tǒng)

0 引言
非易失性存儲(chǔ)器是指在系統(tǒng)關(guān)閉或無(wú)電源供應(yīng)時(shí)仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)器，常見的有EPROM、EEPROM、Flash-EEPROM等。由于其同時(shí)具備數(shù)據(jù)更改性及數(shù)據(jù)保存性，NVM在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被大量應(yīng)用于數(shù)據(jù)及程序的存儲(chǔ)，并逐步替代部分有斷電保存需要的RAM，甚至取代部分硬盤功能，如固態(tài)硬盤(SSD)。傳統(tǒng)的系統(tǒng)解決方案采用外掛片外NVM芯片，這種方法會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜度提高。而隨著嵌入式NVM技術(shù)的發(fā)展，將NVM與系統(tǒng)其它電路集成在同一塊芯片中，已成為SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的片外NVM方案，嵌入式NVM具有更高的數(shù)據(jù)交換速度和更高的可靠性。然而，在SoC芯片的物理設(shè)計(jì)中，嵌入式NVM也面臨工藝兼容、功耗及成本控制等新的問(wèn)題。為此，本文以一款電力網(wǎng)控制芯片R36的物理設(shè)計(jì)為例，討論了嵌入式NVM在實(shí)際應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題，并給出了解決方案。

1 嵌入式NVM簡(jiǎn)介
1．1 嵌入式NVM的工作原理
大部分NVM的工作原理都是以基本的EEPROM為存儲(chǔ)單元。與普通MOS管相比，EEPROM存儲(chǔ)單元多了一層多晶硅浮柵，圖1所示是EEPROM的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，該存儲(chǔ)單元的基本操作為擦1、寫0及讀取。擦1時(shí)，Vcg為12 V，Vd為6 V，漏柵之間的電場(chǎng)使漏端電子穿越氧化層勢(shì)壘而到達(dá)浮柵并存儲(chǔ)，該過(guò)程稱為熱電子注入，這樣，即使Vcg高壓除去后，浮柵上的電荷也能保存很長(zhǎng)時(shí)間；寫0時(shí)，Vcg為-12 V，Vd為6 V，漏柵之間的電場(chǎng)給浮柵上的電子提供釋放到P-sub的通路，稱為FN隧道效應(yīng)，此后，浮柵電荷被釋放。

嵌入式NVM首先要解決的問(wèn)題就是與芯片其它電路工藝(logic)的兼容。依據(jù)芯片中NVM所占面積的比重，嵌入式NVM通常有兩種兼容方案。一是當(dāng)NVM比重大于其它邏輯時(shí)，把logic工藝映射成NVM工藝，這是最方便的做法；二是當(dāng)NVM容量較小(32 Mbits)時(shí)，為了節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，通常把NVM做成可復(fù)用的IP，然后映射成logic工藝。
1．2 常見的嵌入式NVM
目前常見的嵌入式NVM有EEPROM和flashEEPROM(簡(jiǎn)稱flash)兩大類，EEPROM每個(gè)存儲(chǔ)單元都配有一個(gè)門控開關(guān)，故可實(shí)現(xiàn)單元獨(dú)立擦操作；而flash存儲(chǔ)單元沒有獨(dú)立的門控開關(guān)，通常以page為單位進(jìn)行擦操作，因此，相同容量的EEPROM面積會(huì)大于flash，但單個(gè)單元擦寫時(shí)間則小于flash，且擦寫時(shí)不影響其他單元的狀態(tài)，同時(shí)，使用壽命較flash有很大的優(yōu)勢(shì)。常見的flash也因其架構(gòu)不同，可分為NORflash和NANDflash兩類，NAND flash架構(gòu)更為緊湊，成本／容量比更優(yōu)，但目前嵌入式技術(shù)相對(duì)沒有NOR成熟。