多年來，嵌入式非易失性閃存在芯片中發揮了關鍵作用，但該技術正面臨著擴展性和成本障礙。

嵌入式閃存可用于多個市場，如汽車，消費和工業。其中，汽車行業更為關心該技術的未來。通常而言，汽車中會包含許多微控制器（MCUs），用于執行芯片處理功能。而MCUs也會集成基于NOR技術的嵌入式非易失性閃存，用于處理代碼存儲。但是也并不是所有的MCUs或處理器都包含嵌入式閃存。

現如今，基于40nm及以上工藝嵌入式閃存的MCUs廣泛應用于汽車產業中。另一方面，業界也在加速28nm工藝MCUs研發，用于儀表組，動力傳動系和車輛的其他部件。預計汽車制造商將在未來幾年內使用基于28nm及以上工藝的MCUs。

盡管如此，OEMs仍在權衡下一代產品，這也是他們面臨一些潛在障礙的地方。簡而言之，隨著制程從40nm進展到28nm，NOR Flash已經出現各種各樣的問題，更別提28nm以上工藝。對此，Objective Analysis分析師Jim Handy表示：“現在很多微處理器仍采用130nm或以上工藝，這也都非常適合嵌入式NOR應用，小于28nm的NOR工藝還沒有足夠的推動力。”

為了解決這一難題，相關企業也在研發相應解決方案。但是快速增長的輔助駕駛和自動駕駛，正推動企業加快研發進程。主要以下幾方面：

嵌入式閃存將擴展到28nm，甚至可能達到22nm。一些人正在努力將該技術擴展到16nm / 14nm，盡管許多人認為它將在28nm/22nm處碰壁。

如果嵌入式閃存失去動力，OEM廠商可能會將代碼存儲轉移到獨立的NOR設備上。因此，OEM廠商需要一個雙芯片解決方案，包括一個MCU和一個NOR設備。

如果不采用雙芯片解決方案，OEM廠商可以將獨立的MCU和NOR器件封裝在一個設備中。

MRAM是下一代存儲器類型，被認為是嵌入式閃存和緩存應用的替代品。MRAM可用于消費類應用，但目前還不清楚它是否能夠滿足汽車領域溫度要求。為此，也有人認為MRAM永遠不會在汽車行業應用。

可以肯定的是，汽車與大多數應用市場不同。在商業領域，對芯片缺陷的溫度范圍具有一定的容忍度。但是在汽車芯片中，不存在缺陷或故障的容忍度。此外，還有嚴格的溫度規格。

汽車芯片需求增長

盡管如此，汽車芯片市場仍然很火爆。根據IHS的數據，平均每輛汽車的電子產品需求預計將從2013年的312美元攀升至2022年的460美元。根據IC Insights的數據，預計2018年汽車IC市場總量將達到創紀錄的323億美元，比2017年增長18.5％。據該公司稱，在汽車領域，模擬器件市場占據最大市場份額45％，其次是MCUs占23％。

圖1 全球汽車IC市場增長情況（數據來源IC Insights）

這只是故事的一部分，特別是對于MCUs。“用于環境感知的傳感器和MCUs的部署，對嵌入式閃存的需求在設備數量和內存密度方面都在增加，”聯華電子產品營銷總監David Hideo Uriu表示：“傳感器和傳感器增列的部署，將增加嵌入式閃存MCUs和ASICs需求，用于輔助駕駛、負載相關傳感及信息娛樂等。”

入門級汽車包含大約20個MCUs。根據英飛凌和Strategy Analytics的數據，中端車型具有60個MCUs，豪華車型有110個。2016年德國豪華車型擁有大約25個32位MCUs，其余的則是8位和16位芯片。

MCUs采用嵌入式閃存，基于EEPROM或NOR。兩者都提供代碼存儲，可以啟動設備并允許它運行程序。Objective Analysis的Handy認為：“EEPROM和NOR之間的區別在于每位單元一個晶體管（NOR）或兩個晶體管（EEPROM）。”

除了MCUs，汽車制造商還使用獨立的NOR設備，也有不同的架構類型。例如，Silicon Storage Technology（SST）提供基于浮柵技術的嵌入式閃存。在浮柵架構中，電荷存儲在柵極中。此外，賽普拉斯和瑞薩提供基于電荷陷阱技術的MCUs，其中電荷存儲在堆棧的氮化物層中。另一方面，恩智浦和英飛凌也推出了采用不同嵌入式技術的MCUs。

當然，汽車還包含其他存儲器類型，例如DRAM和NAND。Semico Research總裁Jim Feldhan認為：“2017年，每輛車的平均內存總量為21美元。這個數字通過2017年汽車內存總銷售量除以汽車總銷售量求得，這只考慮了不包括嵌入式內存的獨立內存。”

“每輛車的內存含量從非常小的數量變化到多達8GB的DRAM和8GB的NAND，用于L1和L2車輛，”Feldhan表示：“現在，配備自動駕駛功能的汽車數量還很少。但是自動駕駛應用正在增長，從而帶動了對所有類型內存的需求。到2021年，擁有L3自動化功能的汽車將需要16GB DRAM和256GB NAND。到2025年，全自動汽車（L5）預計將需要74GB DRAM和1TB NAND。”

在此情況下，所有汽車芯片供應商都面臨著挑戰。“你不能讓零件失效，因為它會影響安全性，”KLA-Tencor營銷高級主管Robert Cappel認為：“除了質量和產量之外，還需要關注潛在的可靠性缺陷，這些隨著時間推移也會帶來安全問題。由此可見，要求正在發生變化。”

新的選擇出現

同時，在車輛中MCUs可用于稱為電子控制單元（ECUs）的嵌入式計算機中。ECUs控制著車輛中的各個區域，這些區域通過網絡連接。ECUs還包含其他類型的芯片，例如處理器和片上系統（SoC），具體取決于應用。

通常我們將汽車劃分為五個領域 - 車身、通信、安全、信息娛樂和動力傳動系統。車身部分包括車門、車燈和車窗控制。通信則包括蜂窩、WiFi和相關功能。安全包括攝像頭和雷達。信息娛樂涉及駕駛員信息和娛樂。動力總成包括發動機控制和變速箱。

圖2 半導體在汽車領域應用（來源UMC）

每個領域都有不同的要求。例如，安全方面可能會使用沒有嵌入式閃存的高端處理器。相反，OEMs會使用外部NOR芯片。

“目前有三種汽車應用包括車身、儀表板和動力總成，使用了嵌入式閃存MCUs。所有這些應用都使用28nm/40nm或更大節點的嵌入式閃存MCUs，”賽普拉斯存儲器產品部執行副總裁Sam Geha解釋道。

圖3 汽車領域對于硅器件需求（來源UMC）

例如，瑞薩公司最近推出了業界首款采用嵌入式閃存的28nm MCU。該產品包含多達六個400 MHz CPU內核和最多16兆字節的嵌入式閃存。該MCU適用于電動汽車和混合動力汽車的動力總成以及電機控制功能。

通常認為，40nm和28nm預計將成為汽車中MCUs的長期運行節點。盡管如此，瑞薩和其他公司仍然認為需要超過28納米的MCUs并已經有多種方案。

一種選擇是擴展嵌入式閃存。在2016年IEDM的一篇論文中，瑞薩為16nm/14nm的finFET描述了一種嵌入式閃存技術。使用其現有的電荷陷阱方案，該技術證明了150攝氏度的數據保留率。但有個問題，它將在2023年才會出現。

在28nm及以上，嵌入式閃存通常是平面狀結構。相比之下，瑞薩的16nm/14nm嵌入式閃存位于垂直方向。隨著高級輔助駕駛系統(ADAS)等汽車自動化方面的進步以及物聯網(IoT)連接的智能社會的發展，產生了使用更精細制程技術裝配先進MCU的需求。為滿足這一需求，瑞薩電子開發了基于16/14納米技術的嵌入式閃存，成功替代了目前最新的40/28納米技術。在16/14納米邏輯制程中，一種采用鰭狀結構的晶體管——鰭式場效應晶體管(FinFET)，被廣泛用于提高性能和降低功耗，以克服傳統平面晶體管的擴展限制。

圖4 瑞薩28nm嵌入式閃存單元截面圖（來源IEEE）

圖5 瑞薩16nm/14nm嵌入式閃存單元截面圖（來源Renesas）

然后，在2017年IEDM的一篇論文中，瑞薩展示了有關其技術的更多細節，稱為FinFET SG-MONOS陣列。“FinFET SG-MONOS陣列已成功運行于多個項目，具有足夠寬的擦除窗口”瑞薩研究員Shibun Tsuda在論文中表示。

通常而言，擴展NOR是一項挑戰。NOR在縮小漏極電壓、柵極長度和隧道氧化物方面都面臨一些問題。

現階段領先的獨立NOR器件是45nm產品，并正在研發32nm/28nm相關產品。“雖然我們的MirrorBit技術（賽普拉斯的NOR電池技術術語）已被證明能夠在28nm/32nm節點上工作，但我們預計不會在短期內轉向該節點。擴展NOR超過28nm是非常困難的，不會提供投資回報率”Geha認為。

在嵌入式閃存中，每個節點需要更多掩模，從而增加了成本。“添加嵌入式閃存非常昂貴，”Geha表示：“在40nm，你通常需要在CMOS上增加8到12或13個額外的掩模才能添加嵌入式閃存。在28nm，這一數字將變成9到18個。”

所以今天，嵌入式閃存可擴展到28nm，但價格昂貴。繼28nm之后，OEMs正在開發22nm工藝。因此，嵌入式閃存的下一步是22nm，這是28nm的縮放版本。超過22nm，有幾種選擇。一個想法是模仿NAND類似結構。正因為Planar NAND在1xnm節點上嶄露頭角，促使業界開發3D NAND。在3D NAND中，存儲器單元彼此堆疊以擴展技術。業界正在探索與NOR類似的想法，但目前還不清楚是否會發生所謂的3D NOR。

可以肯定的是，有更多可行的選擇。業界正在開發16nm/14nm及以上的MCUs。如果嵌入式閃存無法擴展，那么OEMs將使用沒有嵌入式閃存的MCU。所以他們會在電路板上使用外部NOR器件，需要兩個芯片而不是一個芯片。通常，雙芯片解決方案提供了一些靈活性，使OEMs能夠使用來自多個供應商的芯片。但是這種方法也會占用電路板空間并消耗更多功率，并且會增加一些潛在的延遲和安全問題。

另一種選擇是將獨立MCU和NOR器件集成在系統級封裝（SiP）中。SiP需要不同的供應鏈。例如，MCU供應商會購買NOR器件并將其封裝在SiP中。

“在一個封裝中，還需要能夠承受高溫，”賽普拉斯的Geha表示：“芯片溫度為125攝氏度，壓模溫度為150攝氏度。二者封裝在一起，溫度將提升15攝氏度”。

隨著時間的推移，OEMs將使用雙芯片和SiP方案。“通常，對于嵌入式閃存，您希望它比通過外部接口更快，這一點還需要進行優化，”賽普拉斯閃存業務部副總裁兼總經理Rainer Hoehler說道：“同時還需要考慮功耗問題、安全及成本問題。”

除此之外，MRAM是另一種選擇。業界正在開發稱為“自旋轉移力矩磁性隨機存儲技術（STT-MRAM）”的下一代MRAM技術。 STT-MRAM利用電子自旋的磁性在芯片中提供非揮發性特性。它結合了SRAM的速度和閃存的非易失性，幾乎無限的耐用性。在傳統存儲器中，數據存儲為電荷。相反，MRAM使用磁隧道結存儲單元作為存儲元件。

圖6 自旋轉移力矩MRAM技術（來源Everspin）

制作STT-MRAM是一個具有挑戰性的過程。其他下一代存儲器類型（如相變）也是如此。“它們包含不常用于標準CMOS產品的材料，”Lam Research的高級技術總監Alex Yoon在博客中說：“MRAM材料往往會產生非揮發性副產品，最終會沉積在整個晶圓上，造成短路并導致錐形電堆疊。”

目前，STT-MRAM芯片主要用于固態存儲驅動器。在這個應用程序中，溫度要求不那么嚴格。汽車應用則不同。“任何用于汽車MCUs的新興非易失性存儲器都必須通過嚴格的可靠性規范。它必須滿足焊接回流要求，高可靠性和超過20年的保質期，”UMC公司的Uriu表示：“汽車應用需要125°，0級需要150°。我們認為150°是可能的（使用STT-MRAM），但需要開發資源來實現這一目標。”

現階段，STT-MRAM的溫度規格范圍為85°至105°C，低于汽車的要求。業界正在研究STT-MRAM的更高溫度規格，但仍在進行中。

“MRAM的一個優點是，可以修改技術并在諸如溫度曲線、如何支持高溫環境以及設備操作速度之間進行權衡，” Global Foundries嵌入式內存高級主管Martin Mason認為：“我們將（嵌入式MRAM）技術應用于22nm。然后，許多客戶希望該設備解決回流曲線。以使焊料回流曲線在較長時間內達到250°、260°或更高的高溫。其中一個問題是，當我們這樣做時，設備仍然可靠。這個問題已經解決了。”

然而，有些人不那么樂觀，至少對于汽車應用而言。“我自己在MRAM工作過，”賽普拉斯的Geha表示：“MRAM在高溫下不起作用。無論人們試圖聲稱什么，它都有問題。它是一種基于磁性的結構。一旦遇到高溫，磁性能就會變差。它可能適用于某些消費者的東西。它永遠不會在高溫下工作。電阻RAM更糟糕。電阻式RAM適用于消費者，但它們甚至無法達到工業級別。”

其他人的觀點略有不同。“STT-MRAM正在取得良好進展，它在某些應用市場上占有一席之地，例如L3/L4緩存或NVSRAM應用，”SST營銷總監Vipin Tiwari表示：“但是，我沒有看到MRAM作為嵌入式閃存的替代品，因為它無法實現嵌入式閃存今天所能做的事情，這是對故障機制、現場數據、磁免疫力、耐久性、快速讀取性能等的綜合要求。”

“28nm（平面）和14/16nm（finFET）技術之間存在巨大的成本差異，因此采用存在一定的成本障礙。此外，14/16nm finFET技術的嵌入式閃存集成將比以前的節點更具挑戰性，因此我認為嵌入式閃存開發過程比以前的節點將花費更長的時間。假設采用14/16nm技術的嵌入式閃存平臺可以在2022年獲得認證，我們可以預期在2026年推出基于14/16nm的汽車MCUs。盡管如此，14/16nm汽車MCU有可能使用晶圓或封裝級集成整合經過生產驗證的28nm嵌入式閃存作為獨立芯片。在那種情況下，可以看到14/16nm MCU將早于2026年應用”Tiwari認為。

MRAM是最終歸宿？

如上所述，一些應用領域使用具有嵌入式閃存的MCUs。其他領域不使用MCUs。相反，它們包含更高端的應用處理器和SoC。這些設備用于各種領域，例如高級駕駛員輔助系統（ADAS）和高端信息娛樂系統。

圖7 儀表系統圖集（來自Cypress）

這些處理器不集成嵌入式閃存。相反，OEMs會在電路板上使用外部NOR器件。處理器和NOR設備通過總線進行通信。處理器將SRAM存儲器集成到緩存中。SRAM存儲數據和常用指令。SRAM速度很快，但它很大并且消耗功率。

這就是嵌入式STT-MRAM適合緩存的地方。“對于MRAM，由于位單元比SRAM位單元小得多，你可以在芯片上放置大量的MRAM，” Objective Analysis公司Handy認為。

這將減少空間和成本。“隨著時間的推移，有些人會將MRAM視為嵌入式閃存的替代品。但這不是我們關注的地方。我們認為這是一個非易失性SRAM的機會，”恩智浦應用處理器副總裁Ron Martino表示。

恩智浦提供了基于三星28nm FD-SOI工藝的應用處理器。該設備針對信息娛樂系統和儀表板，集成了SRAM和其他組件。

圖8 另一個儀表集群圖（來源NXP）

將來，處理器將采用嵌入式MRAM。“當將MRAM與FD-SOI相結合時，我們會看到許多應用，”Martino認為：“它不會是SRAM的替代品。但它將是互補的，你可以引入MRAM來創建針對更高性能的非易失性RAM模塊。”

但STT-MRAM是否會滿足汽車的溫度規格？“MRAM技術在該行業中的地位首先集中在將其用于較低溫度的制造中。那將是85或105攝氏度的溫度范圍。然后，下一階段將達到125攝氏度，” Martino 表示：“第一批受益于嵌入式MRAM的應用將成為消費者和工業用戶。然后，你會看到MRAM隨著時間的推移在汽車中使用。”

可以肯定的是，汽車制造商很保守。除非符合規范，否則它們不會移動到新的內存類型。與此同時，OEMs將盡可能擴展今天的嵌入式閃存。然后，當它耗盡之時，OEMs必須在高風險汽車市場上做出正確的選擇。