MCU三巨頭，三種選擇

半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)更新迭代，MCU也要與時(shí)俱進(jìn)。為了更好地迎接未來趨勢(shì)，有的廠商選擇從內(nèi)核下手，比如，由Arm Cortex-M內(nèi)核轉(zhuǎn)向RISC-V內(nèi)核；也有選擇集成AI，通過在MCU中加入AI加速器，讓MCU更加智能；還有一種就是本文將主要介紹的，集成新型存儲(chǔ)器。

MCU作為一款需要集成CPU、SRAM、非易失性存儲(chǔ)器，以及專用外設(shè)的芯片，最常見的存儲(chǔ)器形式主要包括了 eDRAM 、SRAM 易失性存儲(chǔ)器、閃存、EEPROM 非易失性存儲(chǔ)器，這其中集成式閃存是MCU的重要特征。然而，隨著時(shí)間的推移，閃存卻逐漸開始成為制約MCU提高性能、降低功耗的瓶頸之一。一方面，閃存的制程難以擴(kuò)展到40nm以下，而MCU卻已經(jīng)開始向28nm邁進(jìn)，并且這些存儲(chǔ)單元難以集成到非常復(fù)雜的高k金屬柵極技術(shù)中；另一方面，車載MCU中集成的閃存的可擦寫次數(shù)太少，隨著每個(gè)寫入和擦除周期，浮柵 NOR 單元中的隧道氧化物會(huì)退化并且泄漏會(huì)增加，從而加速閃存老化，使其不適合作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

此外，雖然閃存的出現(xiàn)改變了過去ROM所帶來的擦除程序數(shù)據(jù)困難的問題，但嵌入式閃存仍需要較長的寫入時(shí)間，部分原因在于需要在寫入操作之前必須進(jìn)行擦除操作，這樣就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行速度比閃存高兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)的主MCU必須等待存儲(chǔ)器訪問，而這些問題都有可能對(duì)MCU性能產(chǎn)生不利影響。

基于上述因素，越來越多的MCU大廠開始選擇在MCU中集成新型存儲(chǔ)器，比如相變存儲(chǔ)器（PCM）、磁RAM（MRAM）和阻變存儲(chǔ)器（RRAM）等，當(dāng)然不同的大廠也有著他們不同的選擇…

極致低功耗，英飛凌 pick RRAM

MCU巨頭廠商英飛凌選擇了RRAM（ReRAM），就在11月25日，英飛凌宣布與代工龍頭臺(tái)積電準(zhǔn)備將臺(tái)積電的RAM非易失性存儲(chǔ)器 (NVM) 技術(shù)引入英飛凌的下一代 AURIX MCU中。

阻變存儲(chǔ)器，全稱為電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，Resistive Random Access Memory，簡稱為ReRAM或RRAM。作為結(jié)構(gòu)最簡單的存儲(chǔ)技術(shù)，RRAM通過改變電介質(zhì)的電阻來工作，在電介質(zhì)上施加恰到好處的電壓產(chǎn)生允許電流流動(dòng)的細(xì)小導(dǎo)電絲，并能在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換。

由于RRAM可以將DRAM的讀寫速度與SSD的非易失性結(jié)合于一身，因此其擁有了擦寫速度高、耐久性強(qiáng)、單個(gè)存儲(chǔ)單元能存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)。而它還有一個(gè)極為重要的優(yōu)勢(shì)，就是功耗低，Rambus Labs高級(jí)副總裁Gary Bronner就曾強(qiáng)調(diào)，RRAM的功耗比閃存低得多，可能是下一代 MCU 的一個(gè)關(guān)鍵差異化因素。

此外，2016年《Application study: RRAM for Low-Power Microcontrollers》論文也曾指出，RRAM的一個(gè)可能應(yīng)用領(lǐng)域就是MCU中所有易失性存儲(chǔ)器的備份存儲(chǔ)器。論文認(rèn)為，在RRAM中存儲(chǔ)一位值所需的能量小于在閃存技術(shù)中存儲(chǔ)一位所需的能量。RRAM中的每個(gè)存儲(chǔ)單元都可以獨(dú)立于其他單元進(jìn)行置位或復(fù)位，但在閃存中，就必須先擦除整個(gè)塊，從而增加了數(shù)據(jù)管理的工作量。此外，與閃存相比，RRAM存儲(chǔ)塊的設(shè)計(jì)不太復(fù)雜，高壓發(fā)生器不是必需的，并且具有雙柵極的晶體管的復(fù)雜結(jié)構(gòu)由晶體管和修改的通孔代替。因此，RRAM存儲(chǔ)器似乎是低功耗微控制器的理想備份存儲(chǔ)器。

該論文也得出結(jié)論稱，RRAM作為額外的存儲(chǔ)器，允許MCU快速進(jìn)入非常深度的睡眠模式，從而可以完全關(guān)閉電源，將能量泄漏減少到零，并且存儲(chǔ)和恢復(fù)來自RRAM的數(shù)據(jù)所需時(shí)間和能量也很低，而少于一分鐘的睡眠時(shí)間甚至可以分別增加電池和傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命。

從目前技術(shù)來看，RRAM顯然有望“備胎轉(zhuǎn)正”，能做的不僅僅是MCU中的備份存儲(chǔ)器。此前有數(shù)據(jù)顯示，采用 65 nm工藝制造的 RRAM 將有助于減小芯片和內(nèi)存尺寸，同時(shí)與閃存相比僅消耗 1/10 的功率，而此次英飛凌和臺(tái)積電要做的已經(jīng)是向28nm邁進(jìn)。據(jù)悉，英飛凌和臺(tái)積電在 RRAM NVM 技術(shù)方面合作了近十年，英飛凌官方消息顯示，RRAM 技術(shù)為性能擴(kuò)展、功耗降低和成本改善創(chuàng)造了巨大潛力，已經(jīng)向基于臺(tái)積電 28nm eFlash 技術(shù)的主要客戶運(yùn)送其 AURIX TC4x 系列樣品，首批基于 28nm RRAM 技術(shù)的樣品將于 2023 年底提供給客戶。從某種意義上來說，采用28nm工藝制造的RRAM或許會(huì)帶來從尺寸、功耗，到速度等多方面的驚喜。

據(jù)英飛凌透露，AURIX TC3x 已成為許多應(yīng)用領(lǐng)域的首選汽車微控制器，而基于臺(tái)積電RRAM 技術(shù)的 AURIX TC4x 通過提高 ASIL-D 性能、人工智能功能和最新的網(wǎng)絡(luò)接口（包括 10Base T1S 以太網(wǎng)和 CAN-XL）進(jìn)一步擴(kuò)大了這一成功，AURIX TC4x MCU將性能擴(kuò)展與虛擬化、安全和網(wǎng)絡(luò)功能的最新趨勢(shì)相結(jié)合，以支持下一代軟件定義的車輛和新的 E/E 架構(gòu)，為在汽車領(lǐng)域引入 RRAM 奠定了基礎(chǔ)。

當(dāng)然，除了低功耗，成本也是RRAM的優(yōu)勢(shì)之一?！禩he future of RRAM : From Embedded Application to In Memory Computing andB eyond》指出，28nm及以下的閃存會(huì)面臨需要額外增加9-12層掩膜版，導(dǎo)致成本升高，而RRAM由于采用簡單的內(nèi)存單元結(jié)構(gòu)與材料，因此只需多增加一層掩膜版，就能夠整合于現(xiàn)有的制造流程，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)更低的生產(chǎn)成本。

快速讀取和寫入，ST認(rèn)準(zhǔn)PCM

在新型存儲(chǔ)方面，意法半導(dǎo)體一直是微控制器嵌入式存儲(chǔ)器相變存儲(chǔ)器 (PCM) 的早期研究者，尤其是汽車應(yīng)用。PCM全稱Phase-change RAM（相變存儲(chǔ)器），也可以為PCRAM，原理是通過改變溫度，讓相變材料在低電阻結(jié)晶（導(dǎo)電）狀態(tài)與高電阻非結(jié)晶（非導(dǎo)電）狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。

PCM的基本機(jī)制是在 1960 年代由Stanford Robert Ovshinsky發(fā)明，使用鍺銻碲 (GST) 合金制成，并利用非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)之間材料物理特性的快速熱控變化，以低電壓進(jìn)行讀寫，與閃存和其他嵌入式存儲(chǔ)器技術(shù)相比具有多項(xiàng)顯著優(yōu)勢(shì)，比如擁有低延時(shí)、寫入性能/數(shù)據(jù)保留，壽命長，功耗低，密度高，抗輻照特性好、靈活的后端流程等諸多技術(shù)特點(diǎn)。

或許是性能過于優(yōu)異，PCM率先登上了MCU的舞臺(tái)，據(jù)pc.watch報(bào)道，在28納米世代以后的生產(chǎn)技術(shù)中，MCU廠家率先發(fā)布的eNVM技術(shù)就是ePCM。2018年，意法半導(dǎo)體宣布，內(nèi)建ePCM的28nm FD-SOI車用MCU技術(shù)架構(gòu)和性能標(biāo)準(zhǔn)，開始提供主要客戶搭載ePCM的MCU樣片。

集成在 28nm FD-SOI 技術(shù)中的嵌入式 PCM 位單元的橫截面圖源：意法半導(dǎo)體

消息顯示，意法半導(dǎo)體是首家有能力整合這種非易失性存儲(chǔ)器與28nmFD-SOI技術(shù)，并研發(fā)高性能之低功耗汽車MCU的廠商。其實(shí)，意法半導(dǎo)體早在2000年就開始研究PCM，并與英特爾合作，2005年意法半導(dǎo)體和英特爾共同開發(fā)了90nm的PCM技術(shù)，2008年兩家公司合并了各自的分立存儲(chǔ)器業(yè)務(wù)，成立了 Numonyx NV 合資企業(yè)，隨后被美光（愛達(dá)荷州博伊西）收購。

曾有一篇文章分析了在eNVM各種技術(shù)中，為什么PCM是最適合車載應(yīng)用，主要原因還是在于PCM的可制造性和成本。比如，在汽車應(yīng)用中，ePCM 存儲(chǔ)元件的集成比 28 nm 嵌入式閃存技術(shù)便宜得多；ePCM 提供了快速的讀取和寫入，縮短了工廠編程時(shí)間，降低了制造成本；允許模擬真正的 EEPROM 的單比特可更改性，顯著減少系統(tǒng)寫入時(shí)間；提供可與嵌入式閃存媲美的可靠性和耐用性優(yōu)勢(shì)，允許進(jìn)行更多寫入…

目前來看，意法半導(dǎo)體搭載ePCM的MCU就主要應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。在2018年時(shí)，意法半導(dǎo)體曾表示，ePCM解決方案可以克服汽車對(duì)容量更大的嵌入式存儲(chǔ)器的需求，其最高工作溫度可達(dá)+165℃，能夠確保在高溫回流焊制程后其韌體／數(shù)據(jù)可完好保存，并且抗輻射，為數(shù)據(jù)提供更多的安全保護(hù)。到了2021年8月，意法半導(dǎo)體開始向主要車商交貨其首批Stellar SR6系列車用MCU，計(jì)劃于2024年量產(chǎn)。其中，Stellar SR6 P和G兩個(gè)系列首批MCU配備高達(dá)20MB的PCM，確保讀寫效能優(yōu)異，數(shù)據(jù)保存期限長，同時(shí)符合AEC-Q100 0級(jí)汽車標(biāo)準(zhǔn)。

靈活使用內(nèi)存，瑞薩選擇MRAM

在eNVM各種技術(shù)中，日本MCU大廠瑞薩選擇了MRAM。MRAM全稱Magnetic RAM（磁性存儲(chǔ)器），是一種基于隧穿磁阻效應(yīng)的技術(shù)，擁有非易失，讀寫次數(shù)無限，寫入速度快、功耗低，和邏輯芯片整合度高等技術(shù)特點(diǎn)。

Objective Analysis首席分析師Jim Handy曾認(rèn)為MRAM比閃存更能持久儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，他表示，MRAM和其他新興非揮發(fā)性技術(shù)的特點(diǎn)之一在于編程人員能夠靈活地使用內(nèi)存。工程師不再需要將程序代碼限制在NOR的大小或限制數(shù)據(jù)只能在SRAM的大小，不僅簡化了設(shè)計(jì)，而且透過讓同樣基于MRAM的MCU用于多種應(yīng)用中，可為某些客戶節(jié)省成本。

目前，主流的MRAM技術(shù)是STT-MRAM（自旋注入MRAM），作為MRAM的一種變體，其附近電子的自旋會(huì)影響 MTJ（ magnetic tunnel junction）的極性。與其他形式的 MRAM相比， STT-MRAM具有更低的功耗和進(jìn)一步擴(kuò)展的能力，雖然STT-MRAM具有與 DRAM和 SRAM相當(dāng)?shù)男阅埽热缂词骨袛嚯娫?，信息也不?huì)丟失，而且和DRAM一樣可隨機(jī)存?。豢刹翆懘螖?shù)超過1015次,和DRAM及SRAM相當(dāng),大大超出了閃存的105次等，但其似乎也能在10nm以下進(jìn)程實(shí)現(xiàn)，IMEC在2018年IEEE IEDM 會(huì)議上就曾展示了在 5nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)引入 STT-MRAM 作為最后一級(jí) (L3) 緩存存儲(chǔ)器的可行性，因此很多人認(rèn)為STT-MRAM會(huì)改變“存儲(chǔ)器（硬盤及NAND閃存）為非易失性、更高層級(jí)的內(nèi)存（DRAM及SRAM）為易失性”的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)架構(gòu)，有望成為領(lǐng)先的存儲(chǔ)技術(shù)。

瑞薩主攻的就是STT-MRAM，并為其不斷研發(fā)新技術(shù)。在去年年底的IEDM 2021上，瑞薩宣布確認(rèn)在 16 nm FinFET 邏輯工藝嵌入式 STT-MRAM 測(cè)試芯片上降低了功耗并提高了寫入操作速度。

瑞薩表示，MRAM 比閃存需要更少的寫入操作能量，因此特別適合數(shù)據(jù)更新頻繁的應(yīng)用，但隨著對(duì) MCU 數(shù)據(jù)處理能力的需求激增，改善性能和功耗之間權(quán)衡的需求也在增加，進(jìn)一步降低功耗仍然是一個(gè)緊迫的問題。為了滿足這一需求，瑞薩為 MRAM 開發(fā)了兩種技術(shù)，分別是利用斜率脈沖的自終止寫入方案和同步寫入位數(shù)優(yōu)化技術(shù)。最后，瑞薩在采用 16 納米 FinFET 邏輯工藝的 20 Mbit 嵌入式 MRAM 存儲(chǔ)單元陣列測(cè)試芯片上進(jìn)行的測(cè)量證實(shí)，上述兩種技術(shù)的組合可將寫入能量降低 72%，并將寫入脈沖應(yīng)用時(shí)間縮短 50%。

嵌入式STT-MRAM芯片照片圖源：瑞薩

而在今年6月的VLSI 研討會(huì)上，瑞薩再次宣布已開發(fā)出用于STT-MRAM測(cè)試的電路技術(shù)使用 22 納米工藝制造的具有快速讀寫操作的芯片。瑞薩表示，隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，需要采用更精細(xì)的工藝節(jié)點(diǎn)來制造MCU，對(duì)于亞 22 納米工藝，在生產(chǎn)線后端中制造的 MRAM 與在生產(chǎn)線前端中制造的閃存相比具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗c現(xiàn)有的 CMOS 邏輯工藝技術(shù)兼容并且需要更少的額外掩膜版。

嵌入式STT-MRAM測(cè)試芯片圖源：瑞薩

但瑞薩也指出，MRAM 的讀取余量過小，會(huì)降低讀取速度，進(jìn)而影響MCU的性能，因此需要進(jìn)一步提高速度以縮短端點(diǎn)設(shè)備所需的無線 (OTA) 更新的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，為此瑞薩開發(fā)了采用高精度靈敏放大電路的快速讀取技術(shù)和同步寫入位數(shù)優(yōu)化和縮短模式轉(zhuǎn)換時(shí)間的快速寫入技術(shù)，經(jīng)驗(yàn)證，在測(cè)試芯片上實(shí)現(xiàn) 5.9 ns 隨機(jī)讀取訪問和 5.8 MB/s 寫入吞吐量。瑞薩認(rèn)為，這些新技術(shù)有可能顯著提高內(nèi)存訪問速度超過 100 MHz，從而實(shí)現(xiàn)具有更高性能的集成嵌入式 MRAM 的MCU。

值得一提的是，不同于英飛凌和意法半導(dǎo)體應(yīng)用于汽車電子，從瑞薩官方消息來看，目前其集成STT-MRAM技術(shù)的MCU主要應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，至于未來是否會(huì)轉(zhuǎn)向汽車領(lǐng)域，我們拭目以待。

新興存儲(chǔ)，誰會(huì)是未來選擇

那么，在眾多新興存儲(chǔ)技術(shù)中，誰會(huì)成為未來選擇？目前來看，PCM肯定走在了最前頭，畢竟集成PCM的MCU樣品已出貨，量產(chǎn)時(shí)間也指日可待，但需要注意的是，PCM并不是一個(gè)十全十美的選擇，它也有著一定的局限性。

一是，PCM RESET后的冷卻過程需要高熱導(dǎo)率，會(huì)帶來更高功耗，且由于其存儲(chǔ)原理是利用溫度實(shí)現(xiàn)相變材料的阻值變化，所以對(duì)溫度十分敏感，無法用在寬溫場景。

二是，為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCM必須采取多層結(jié)構(gòu)，因此存儲(chǔ)密度過低，在容量上無法替代NAND Flash。

三是，由于PCM典型的鍺、銻、碲元素比例為2:2:5，熔點(diǎn)相對(duì)較低，或許會(huì)存在預(yù)編程的存儲(chǔ)器在焊接到印刷電路板上時(shí)可能被擦除的問題，雖然系統(tǒng)編程可以解決這個(gè)溫度限制問題，但它也會(huì)影響在高溫下10 年的保留能力。

其實(shí)，被大家所熟知的英特爾3D XPoint內(nèi)存技術(shù)就是PCM的一種，由于所需要的掩膜版過多導(dǎo)致成本升高，并且制造難度也十分困難等原因，雖然這項(xiàng)技術(shù)在非易失存儲(chǔ)器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了革命性突破，但也沒逃過落魄的命運(yùn)。

另一邊，MRAM雖然性能較好，但臨界電流密度和功耗仍需進(jìn)一步降低。目前MRAM的存儲(chǔ)單元尺寸仍較大且不支持堆疊，工藝較為復(fù)雜，大規(guī)模制造難以保證均一性，存儲(chǔ)容量和良率爬坡緩慢。

雖然上述說到，IMEC曾在2018年IEEE IEDM 會(huì)議上展示了在 5nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)引入 STT-MRAM 作為最后一級(jí) (L3) 緩存存儲(chǔ)器的可行性，但其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)也被證明不足以將操作擴(kuò)展到更快、更低級(jí)別的緩存 (L1/L2)。一方面，與SRAM相比，STT-MRAM寫入過程仍然相對(duì)低效且耗時(shí)，對(duì)切換速度（不快于5ns）構(gòu)成了固有限制。另一方面，速度增益將需要增加流過 MTJ 的電流，從而流過薄的電介質(zhì)屏障，因此每一次的讀寫都會(huì)造成絕緣層的小破壞，久而久之也會(huì)降低設(shè)備的耐用性，顯然對(duì)于需要亞納秒切換速度的L1/L2 緩存操作來說，STT-MRAM并不是一個(gè)良配。

至于RRAM，它的缺點(diǎn)也很明顯，最大的缺點(diǎn)就是嚴(yán)重的器件級(jí)變化性。器件級(jí)變化性直接關(guān)乎芯片的可靠性，但由于RRAM器件狀態(tài)的轉(zhuǎn)變需要透過給兩端電極施加電壓來控制氧離子在電場驅(qū)動(dòng)下的漂移和在熱驅(qū)動(dòng)下的擴(kuò)散兩方面的運(yùn)動(dòng)，使得導(dǎo)電絲的三維形貌難以調(diào)控，再加上噪聲的影響，因此容易造成器件級(jí)變化性。

此外，雖然RRAM陣列擁有兩種機(jī)構(gòu)，但是1T1R結(jié)構(gòu)的RRAM總芯片面積取決于晶體管占用的面積，因此存儲(chǔ)密度較低；而Crossbar結(jié)構(gòu)的RRAM雖然存儲(chǔ)密度較高，但存在互連線上的電壓降和潛行電流路徑，造成讀寫性能下降，能耗上升以及寫干擾等問題。

總而言之，每種存儲(chǔ)技術(shù)都各有優(yōu)缺點(diǎn)，并沒有完美的存在。MCU廠商如何進(jìn)行取舍？如何盡可能針對(duì)弱項(xiàng)研發(fā)出新技術(shù)？又如何針對(duì)新興技術(shù)研發(fā)出所需的新設(shè)備、新材料？這些都是不容忽視、且需要考慮的問題，但有一點(diǎn)可以確認(rèn)，那就是哪怕是MCU廠商，也必須密切關(guān)注新興存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和態(tài)勢(shì)，否則將會(huì)被競爭者拋在身后。