相對于消費級芯片，車規(guī)級芯片有什么不同的要求？

對于車規(guī)級芯片來說，穩(wěn)定性和安全性是壓倒一切的。eFlash由于其極強的可靠性，包括高達200K次的擦寫操作以及20年的數(shù)據(jù)保存時間，再加上相對較低的價格，目前幾乎占據(jù)了車載MCU的整壁江山。

近日，雷軍宣布小米進軍汽車市場的爆炸性新聞讓大家又一次聚焦到新型汽車這一領(lǐng)域。隨著傳統(tǒng)汽車向智能聯(lián)網(wǎng)汽車和新能源汽車的轉(zhuǎn)型，車輛所需要搭載的芯片越來越多；而另一方面，目前全世界范圍內(nèi)的汽車芯片短缺又在時刻提醒大家供需之間的越來越大的代溝。

那么，相對于大家熟知的消費級芯片，車規(guī)級芯片有什么不同的要求呢？

比較顯而易見的是，對于車規(guī)級芯片來說，穩(wěn)定性和安全性是壓倒一切的。在車輛的使用過程中，發(fā)動機溫度可能跨越-40°C到150°C的溫度范圍，這期間芯片始終都需要正常工作，而消費級芯片僅需滿足0-85°C的跨度即可。與此同時，車規(guī)芯片的可靠性要求也比較高，一般手機使用壽命在3-5年，但一輛汽車至少需要能正常行駛15年。但是，由于汽車本身空間較大，對集成度的要求就沒有消費級芯片那么高。它并不追求非常先進的工藝制程，而往往會優(yōu)先考慮制程工藝的成熟度。所以雖然現(xiàn)今手機芯片制程已經(jīng)普遍進入7nm，5nm等工藝節(jié)點，主流車規(guī)芯片還是采用40nm以上的成熟工藝。

如下圖的Yole調(diào)查報告1所示，eNVM在車規(guī)芯片中主要用于存儲，比如MCU中需要高速運算的代碼等。eFlash由于其極強的可靠性，包括高達200K次的擦寫操作以及20年的數(shù)據(jù)保存時間，再加上相對較低的價格，目前幾乎占據(jù)了車載MCU的整壁江山。

根據(jù)Precedence research的預(yù)測，整個MCU市場將在2027年達到480億美元，而Yole 的市場調(diào)查報告2顯示，僅2018年用于車載的MCU市場就約有60億美元，占到整個MCU市場的33%。這個份額隨著新型汽車的興起必將持續(xù)增長。

下面我們來深入探討一下目前主流的eNVM，看看為什么eFlash能主導(dǎo)車載MCU的解決方案。

目前常見的嵌入式的NVM有eFlash，eMRAM以及RRAM。Flash也因其架構(gòu)不同，可分為NOR flash和NAND flash兩類。在MCU中用到的eFlash需要NOR flash的隨機訪存特性，故下文提到eFlash均為NOR架構(gòu)flash。eMRAM具有多樣性以及快速的讀寫時間等特點，但因為其存儲單元為磁性隧道結(jié)(MTJ)，極易受到電磁干擾的影響，目前還沒有應(yīng)用到車規(guī)芯片中。RRAM作為一種eNVM，能夠在改變電壓的情況下，通過改變電解質(zhì)的電阻進行存儲。其可實現(xiàn)較快的讀寫速度，但非常依賴溫度和電壓來存儲數(shù)據(jù)，在汽車電子的應(yīng)用中并不可靠。

eFlash的可靠性相對于其他eNVM來說是非常出色的，并且在嵌入式技術(shù)中，大容量(Mbytes)flash的應(yīng)用技術(shù)也非常成熟。Flash 存儲單元主要功能是對浮柵進行電子的注入和擦除。下圖為冠捷半導(dǎo)體(SST)的第三代flash存儲單元，在原有傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了控制柵(CG)和擦除柵(EG)。在源極和漏極之間的硅襯底上形成貯存電子的浮柵(FG)。它的上面是在源極和漏極之間控制傳導(dǎo)電流的控制柵。數(shù)據(jù)是0或1取決于在硅襯底上形成的浮柵中是否有電子：有電子為0，無電子則為1。擦除柵上加正電壓，使得浮柵與源極之間產(chǎn)生隧道效應(yīng)，把注入至浮柵的負電荷吸引到源極。

Flash存儲器在寫入數(shù)據(jù)前需要進行刪除數(shù)據(jù)初始化，即擦除功能。具體實現(xiàn)是將浮柵中的電子導(dǎo)出，使得將所有數(shù)據(jù)寫“1”。寫入時只有數(shù)據(jù)為0才可以寫入，數(shù)據(jù)為1時不對存儲單元進行操作。寫“0”時，向控制柵以及源極加入高壓，使其在源漏之間產(chǎn)生很強的電場，使溝道中的電子在水平加速運動的基礎(chǔ)上提供一個垂直運動的能量，這樣一來，電子就會突破氧化膜絕緣體，進入浮柵，完成寫“0”的操作。讀取時，在控制柵會施加一定的電壓，電流大為“1”，電流小為“0”，實現(xiàn)邏輯“0”和“1”的區(qū)分。因FLASH存儲單元讀寫的操作需要高壓，因此可與RF,BCD以及BCD lite等模擬器件混合制造。同時，也因為其優(yōu)良的可靠性以及數(shù)據(jù)保存能力，eFlash在汽車電子上的應(yīng)用具有極強的優(yōu)勢。

下表為格芯基于ESF3（Embedded SuperFlash3）結(jié)構(gòu)設(shè)計的一款eFlash性能參數(shù)表。如表所示，該eFlash模塊能正常工作在150°C下，證明其適合于車規(guī)芯片領(lǐng)域的應(yīng)用。其次，格芯提出的這款解決方案能實現(xiàn)較大的存儲容量，在如今數(shù)據(jù)量激增的環(huán)境中有著更加廣闊的應(yīng)用前景。除此之外，數(shù)據(jù)維持能力也是評價非易失存儲器在汽車電子應(yīng)用中的重要性能參數(shù)。在格芯目前最先進的工藝制程下，eFlash模塊在系統(tǒng)掉電后，保存的數(shù)據(jù)可以在125度下維持長達10年不丟失。

格芯在eFlash的開發(fā)過程中逐步對電路做了改良，以減小IP面積，提高競爭力。在讀電路的靈敏放大器設(shè)計上，創(chuàng)新性的采用了非對稱的兩端輸入方式，將靈敏放大器面積幾乎減半的同時也極大減小讀操作的功耗。在IO數(shù)目較多的IP中，整體面積和讀操作的功耗都能減小20%。根據(jù)這一創(chuàng)新所撰寫的專利正在申請中。與此同時，多個片區(qū)共享驅(qū)動的方案也已經(jīng)運用在現(xiàn)有IP中。

目前，格芯已經(jīng)成功推出基于130nm，55nm和40nm工藝平臺的eFlash IP，其中130nm采用ESF1 bitcell，55nm和40nm采用ESF3作為基本存儲單元。這些IP都已經(jīng)通過auto G1（環(huán)境溫度-40°C-125°C，結(jié)溫150°C）的車規(guī)認證測試。其中，基于130nm BCD平臺的eFlash還通過了更嚴格的auto G0（環(huán)境溫度-40°C-150°C，結(jié)溫175°C）車規(guī)認證。多款I(lǐng)P的成功認證揭示出格芯在嵌入式非易失存儲領(lǐng)域有著深厚的積累和經(jīng)驗。與此同時，在多年的市場推廣中，格芯同國際知名車用芯片提供商建立了長期的合作關(guān)系。我們有理由相信，格芯能在未來提出更多優(yōu)秀的嵌入式存儲解決方案。

原文標題：媒體視角 | 嵌入式flash IP如何占穩(wěn)車用MCU的半壁江山

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