相對(duì)于消費(fèi)級(jí)芯片，車規(guī)級(jí)芯片有什么不同的要求？

對(duì)于車規(guī)級(jí)芯片來說，穩(wěn)定性和安全性是壓倒一切的。eFlash由于其極強(qiáng)的可靠性，包括高達(dá)200K次的擦寫操作以及20年的數(shù)據(jù)保存時(shí)間，再加上相對(duì)較低的價(jià)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(jìn)軍汽車市場(chǎng)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(shí)刻提醒大家供需之間的越來越大的代溝。

那么，相對(duì)于大家熟知的消費(fèi)級(jí)芯片，車規(guī)級(jí)芯片有什么不同的要求呢？

比較顯而易見的是，對(duì)于車規(guī)級(jí)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(dòng)機(jī)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(fèi)級(jí)芯片僅需滿足0-85°C的跨度即可。與此同時(shí)，車規(guī)芯片的可靠性要求也比較高，一般手機(jī)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(duì)集成度的要求就沒有消費(fèi)級(jí)芯片那么高。它并不追求非常先進(jìn)的工藝制程，而往往會(huì)優(yōu)先考慮制程工藝的成熟度。所以雖然現(xiàn)今手機(jī)芯片制程已經(jīng)普遍進(jìn)入7nm，5nm等工藝節(jié)點(diǎn)，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(bào)告1所示，eNVM在車規(guī)芯片中主要用于存儲(chǔ)，比如MCU中需要高速運(yùn)算的代碼等。eFlash由于其極強(qiáng)的可靠性，包括高達(dá)200K次的擦寫操作以及20年的數(shù)據(jù)保存時(shí)間，再加上相對(duì)較低的價(jià)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(cè)，整個(gè)MCU市場(chǎng)將在2027年達(dá)到480億美元，而Yole 的市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告2顯示，僅2018年用于車載的MCU市場(chǎng)就約有60億美元，占到整個(gè)MCU市場(chǎng)的33%。這個(gè)份額隨著新型汽車的興起必將持續(xù)增長(zhǎng)。

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(jī)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(shí)間等特點(diǎn)，但因?yàn)槠浯鎯?chǔ)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(jìn)行存儲(chǔ)。其可實(shí)現(xiàn)較快的讀寫速度，但非常依賴溫度和電壓來存儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)單元主要功能是對(duì)浮柵進(jìn)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(chǔ)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(fù)電荷吸引到源極。

Flash存儲(chǔ)器在寫入數(shù)據(jù)前需要進(jìn)行刪除數(shù)據(jù)初始化，即擦除功能。具體實(shí)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(shí)只有數(shù)據(jù)為0才可以寫入，數(shù)據(jù)為1時(shí)不對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行操作。寫“0”時(shí)，向控制柵以及源極加入高壓，使其在源漏之間產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，使溝道中的電子在水平加速運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上提供一個(gè)垂直運(yùn)動(dòng)的能量，這樣一來，電子就會(huì)突破氧化膜絕緣體，進(jìn)入浮柵，完成寫“0”的操作。讀取時(shí)，在控制柵會(huì)施加一定的電壓，電流大為“1”，電流小為“0”，實(shí)現(xiàn)邏輯“0”和“1”的區(qū)分。因FLASH存儲(chǔ)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(shí)，也因?yàn)槠鋬?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(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

下表為格芯基于ESF3（Embedded SuperFlash3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)較大的存儲(chǔ)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(píng)價(jià)非易失存儲(chǔ)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(jìn)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(zhǎng)達(dá)10年不丟失。

格芯在eFlash的開發(fā)過程中逐步對(duì)電路做了改良，以減小IP面積，提高競(jìng)爭(zhēng)力。在讀電路的靈敏放大器設(shè)計(jì)上，創(chuàng)新性的采用了非對(duì)稱的兩端輸入方式，將靈敏放大器面積幾乎減半的同時(shí)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(qǐng)中。與此同時(shí)，多個(gè)片區(qū)共享驅(qū)動(dòng)的方案也已經(jīng)運(yùn)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(tái)的eFlash IP，其中130nm采用ESF1 bitcell，55nm和40nm采用ESF3作為基本存儲(chǔ)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(rèn)證測(cè)試。其中，基于130nm BCD平臺(tái)的eFlash還通過了更嚴(yán)格的auto G0（環(huán)境溫度-40°C-150°C，結(jié)溫175°C）車規(guī)認(rèn)證。多款I(lǐng)P的成功認(rèn)證揭示出格芯在嵌入式非易失存儲(chǔ)領(lǐng)域有著深厚的積累和經(jīng)驗(yàn)。與此同時(shí)，在多年的市場(chǎng)推廣中，格芯同國(guó)際知名車用芯片提供商建立了長(zhǎng)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(chǔ)解決方案。

原文標(biāo)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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