ST汽車MCU：FD-SOI+PCM相變存儲

就像一個遍體鱗傷的職業(yè)拳擊手，PCM不會屈服或放棄戰(zhàn)斗。盡管PCM因美光3D XPoint和英特爾Optane的不幸遭遇而鼻青臉腫，但由于意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics，簡稱ST)和三星的合作，它已經(jīng)在微控制器領(lǐng)域找到了自己的出路。早在2018年，意法半導(dǎo)體就宣布，它正在為汽車市場提供采用28nm FD-SOI工藝制造的嵌入式PCM (ePCM)微控制器?，F(xiàn)在，意法半導(dǎo)體宣布了下一代帶有ePCM的汽車微控制器，由三星采用聯(lián)合開發(fā)的18nm FD-SOI工藝結(jié)合意法半導(dǎo)體的ePCM技術(shù)制造。

ST專門針對汽車行業(yè)的ePCM微控制器，因?yàn)槠囆袠I(yè)比大多數(shù)其他微控制器應(yīng)用具有更嚴(yán)格的環(huán)境溫度要求。高溫是PCM的致命弱點(diǎn)。PCM利用材料在非晶態(tài)和多晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換時的電阻變化：非晶態(tài)電阻高，多晶態(tài)電阻低。這兩種狀態(tài)創(chuàng)建了一個存儲單元。來自同一位置的加熱器的一個尖銳的、短的溫度峰值使PCM存儲介質(zhì)呈現(xiàn)出非晶態(tài)，而一個較長的、較低的熱脈沖使材料轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑B(tài)，如下圖所示。

根據(jù)意法半導(dǎo)體的PCM網(wǎng)頁，該公司的PCM材料最高工作溫度為165℃，至少適用于該公司的18nm汽車微控制器。

下圖說明了PCM電池的設(shè)計。驅(qū)動這些PCM電池相變的加熱器是埋在下面的雙極晶體管。

將一個新的微控制器家族建立在一個有著悠久而粗略歷史的存儲器技術(shù)上似乎是有風(fēng)險的，但ST是有辦法的。自20世紀(jì)70年代微控制器首次出現(xiàn)以來，除了硬ROM版本外，它們主要基于某種可擦PROM （EPROM）單元。最早的微控制器使用紫外線可擦除的EPROM （UV-EPROM）單元。IC供應(yīng)商將這些第一批可擦除的微控制器封裝在帶有石英窗口的封裝中，以允許擦除和重用。為了降低設(shè)備的價格，他們會省略封裝窗口，用相同的微控制器芯片創(chuàng)建一次性可編程設(shè)備。后來，當(dāng)半導(dǎo)體行業(yè)掌握了可電擦除的EEPROM和閃存EEPROM時，石英窗口的封裝完全消失了。

隨著行業(yè)沿著摩爾定律曲線下滑，閃存EEPROM單元的擴(kuò)展并不好，這促使意法半導(dǎo)體尋找一種替代的非易失性存儲技術(shù)，該技術(shù)適用于使用更先進(jìn)的半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)制造的微控制器。一些微控制器制造商已經(jīng)將其微控制器轉(zhuǎn)向FeRAM或eMRAM。ST選擇了ePCM。

ST對PCM并不陌生。2008年，ST與英特爾合資成立了一家新的非易失性半導(dǎo)體存儲公司Numonyx。Numonyx存儲芯片使用閃存EEPROM或PCM存儲單元。這家新公司生產(chǎn)多種非易失性存儲器，專門生產(chǎn)NOR閃存。Numonyx在2010年推出了90nm PCM器件。同年，美光以價值12.7億美元的股票收購了Numonyx，并進(jìn)入了PCM領(lǐng)域。美光很快停產(chǎn)了Numonyx PCM設(shè)備，后來又推出了與英特爾聯(lián)合開發(fā)的不同系列PCM存儲芯片。該公司將這些新的PCM設(shè)備命名為“3D XPoint”。英特爾推出了自己的3D XPoint PCM版本，名為Optane，將其打包成內(nèi)存DIMM和SSD出售。

英特爾的Optane和美光的3D XPoint被定位為NAND閃存EEPROM的直接競爭對手，但PCM的經(jīng)濟(jì)性和NAND閃存設(shè)備的快速發(fā)展從未允許3D XPoint和Optane產(chǎn)品在大型非易失性存儲器中具有成本競爭力。美光在2021年退出了PCM領(lǐng)域，英特爾在2022年關(guān)閉了Optane PCM。

ST對FD-SOI也并不陌生。該公司于2012年底開放了其28nm FD-SOI工藝的預(yù)生產(chǎn)訂單。大約在同一時間，ST和格芯宣布，格芯將生產(chǎn)基于ST 28納米和20納米FD-SOI工藝技術(shù)的集成電路。三星于2015年獲得ST的FD-SOI工藝技術(shù)許可，并于2022年宣布，他們將在ST位于法國Crolles的現(xiàn)有300毫米半導(dǎo)體工廠附近建立一個新的、聯(lián)合運(yùn)營的、支持FD-SOI的300毫米半導(dǎo)體制造工廠。從這段短暫的歷史再回到ST最近發(fā)布的用于汽車應(yīng)用的18nm FD-SOI微控制器。三星是該設(shè)備的初始代工廠，但ST/格芯在Crolles的合資工廠將作為替代制造來源。最近，隨著汽車客戶受到半導(dǎo)體供應(yīng)鏈崩潰的重創(chuàng)，另一個供應(yīng)來源看起來非常有吸引力。

ST一直對其新的18nm汽車微控制器的規(guī)格保持謹(jǐn)慎。新聞稿簡單地說：

基于該技術(shù)的首款微控制器將集成最先進(jìn)的ARM Cortex-M內(nèi)核，為機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字信號處理應(yīng)用提供增強(qiáng)的性能。它將提供快速靈活的外部存儲接口，先進(jìn)的圖形功能，并將集成眾多模擬和數(shù)字外設(shè)。它還將具有先進(jìn)的、經(jīng)過認(rèn)證的安全功能，這些功能已經(jīng)在ST最新的MCU上推出?！?/p>

當(dāng)被問及處理器內(nèi)核的名稱時，ST的一位發(fā)言人提供了一個間接的答案，他說Arm目前最先進(jìn)的Cortex-M處理器內(nèi)核是Cortex-M85。該Arm處理器核心集成了Arm的Helium矢量處理擴(kuò)展，可以加速圖形、DSP和機(jī)器學(xué)習(xí)算法。與Arm的Neon SIMD矢量擴(kuò)展相比，Helium是一種輕量級的矢量處理方法。Helium是一種比neon更輕的惰性氣體，因此被命名于Arm Cortex-M架構(gòu)的擴(kuò)展。

Arm的“最先進(jìn)的Cortex-M”處理器在ST的新18nm微控制器上的運(yùn)行速度有多快？同樣，ST沒有具體說明。但微控制器供應(yīng)商和競爭對手瑞薩最近推出了一個基于Cortex-M85處理器核心的微控制器系列RA8D1，其時鐘頻率為480MHz。瑞薩電子使用22nm工藝技術(shù)制造RA微控制器，因此，ST 18nm FD-SOI微控制器中的Cortex-M85內(nèi)核可能比它運(yùn)行得更快。

同樣，ST的新聞稿沒有提到新的汽車微控制器中包含的PCM或RAM的數(shù)量。為了尋找線索，我們可以看看ST的上一代基于FD-SOI和PCM的汽車微控制器。這些器件采用ST的28納米Stellar微控制器系列。該家族中最大的成員是StellarSR6 P6，它包含六個Arm Cortex-R52+處理器內(nèi)核，多達(dá)2.3兆字節(jié)的SRAM，以及多達(dá)16兆字節(jié)的PCM，其中15.5兆字節(jié)的PCM專用于存儲代碼和數(shù)據(jù)，0.5兆字節(jié)的PCM專用于微控制器的硬件安全模塊。StellarSR6 P6微控制器還具有15.5 MB的shadowPCM，以適應(yīng)OTA更新。

在從28納米到18納米FD-SOI工藝技術(shù)的跳躍中，預(yù)計ST應(yīng)該能夠輕松地將其新微控制器上的可用RAM和PCM數(shù)量增加一倍或四倍。最終，ST將為這些新的18nm FD-SOI微控制器提供附加信息的數(shù)據(jù)表。下一代FD-SOI工藝有望為業(yè)界（由三星、ST和格芯制造）提供一個新的有趣的應(yīng)用，而PCM將進(jìn)入下一輪半導(dǎo)體存儲器的價格之戰(zhàn)。

原文鏈接：

https://www.eejournal.com/article/st-rolls-a-new-fd-soi-microcontroller-with-phase-change-memory-pcm-for-automotive-applications/