MCU是微控制器的英文簡稱，又稱單片機(jī)，是隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及發(fā)展，將計算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種 I/O 接口集成在一片芯片上，形成的芯片級的計算機(jī)。MCU幾乎存在于汽車、工業(yè)控制、消費電子、家用電器、可穿戴設(shè)備等各種應(yīng)用領(lǐng)域中，扮演著控制核心的角色。

MCU產(chǎn)品迭代速度較快，有4位、8位、16位、32位、64位的MCU，目前主流的是8位和32位。其中8位具有低成本、低功耗、易開發(fā)的優(yōu)點，主要用在汽車風(fēng)扇、空調(diào)、雨刷、天窗、車窗、座椅、門鎖等低階功能控制；而32位主要應(yīng)用于中高端場景，如智能儀表、多媒體系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、輔助駕駛等高階功能控制。據(jù)IC insights的數(shù)據(jù)，超過四分之三的汽車MCU銷售來自32位的，而全球車用MCU市場將近9成集中在6大廠中，主要是瑞薩、英飛凌、恩智浦、ST、德州儀器、Microchip等占據(jù)。

MCU 中內(nèi)部存儲器的數(shù)量取決于存儲器的分類方式。主要有兩種存儲器：隨機(jī)存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。但是，根據(jù)內(nèi)存性能不同，RAM 和 ROM 有不同的類型。這些不同類型的存儲器可用于各種功能，例如高速緩存、主存儲器、程序存儲器等。另一方面，存在內(nèi)存的虛擬與物理定義的問題。

RAM 的兩種主要類型是靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器 (SRAM) 和動態(tài)隨機(jī)存取存儲器 (DRAM)。兩者都需要施加電壓來保存它們的信息。DRAM 很簡單，基本實現(xiàn)只需要一個晶體管和一個電容器。DRAM是所有內(nèi)存技術(shù)中使用最廣泛的一種。當(dāng)集成到 MCU 中時，它被稱為嵌入式 DRAM (eDRAM)。與用作外部存儲器的等效獨立 DRAM 芯片相比，eDRAM 的每比特成本更高。盡管如此，將 eDRAM 放置在與處理器相同的芯片上的性能優(yōu)勢仍超過了高性能應(yīng)用中的成本劣勢。

SRAM 比 eDRAM 更復(fù)雜，通常由六個晶體管實現(xiàn)。 SRAM 比 DRAM 更快，因此非常適合集成到 MCU 中。它是最常用的內(nèi)部 MCU 內(nèi)存技術(shù)之一。 SRAM 通常用作高速緩存和處理器寄存器。

MCU 中的非易失性存儲器包括閃存和電可擦可編程 ROM (EEPROM)。閃存是 EEPROM 的一種形式。它們之間的主要區(qū)別在于它們的管理方式； Flash 在塊級別進(jìn)行管理（寫入或擦除），而 EEPROM 可以在字節(jié)級別進(jìn)行管理。閃存可用于 NAND 和 NOR 架構(gòu)。 NAND 閃存以塊為單位處理數(shù)據(jù)，讀取速度快于寫入速度。它可以快速傳輸多頁數(shù)據(jù)。它提供比 NOR 更高的單位面積容量，用于高密度存儲。NOR Flash支持更細(xì)粒度的操作，并提供高速隨機(jī)訪問。NOR Flash可以讀寫特定的數(shù)據(jù)。

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，這樣就會導(dǎo)致運行速度比閃存高兩到三個數(shù)量級的主MCU必須等待存儲器訪問，而這些問題都有可能對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中集成新型存儲器，比如相變存儲器（PCM）、磁RAM（MRAM）和阻變存儲器（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積電準(zhǔn)備將臺積電的RAM非易失性存儲器 (NVM) 技術(shù)引入英飛凌的下一代 AURIX MCU中。

阻變存儲器，全稱為電阻式隨機(jī)存取存儲器，Resistive Random Access Memory，簡稱為ReRAM或RRAM。作為結(jié)構(gòu)最簡單的存儲技術(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)生允許電流流動的細(xì)小導(dǎo)電絲，并能在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實現(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)、單個存儲單元能存儲多位數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。而它還有一個極為重要的優(yōu)勢，就是功耗低，Rambus Labs高級副總裁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的一個可能應(yīng)用領(lǐng)域就是MCU中所有易失性存儲器的備份存儲器。論文認(rèn)為，在RRAM中存儲一位值所需的能量小于在閃存技術(shù)中存儲一位所需的能量。RRAM中的每個存儲單元都可以獨立于其他單元進(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存儲塊的設(shè)計不太復(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存儲器似乎是低功耗微控制器的理想備份存儲器。

該論文也得出結(jié)論稱，RRAM作為額外的存儲器，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，并且存儲和恢復(fù)來自RRAM的數(shù)據(jù)所需時間和能量也很低，而少于一分鐘的睡眠時間甚至可以分別增加電池和傳感器節(jié)點的壽命。

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，同時與閃存相比僅消耗 1/10 的功率，而此次英飛凌和臺積電要做的已經(jīng)是向28nm邁進(jìn)。據(jù)悉，英飛凌和臺積電在 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)向基于臺積電 28nm eFlash 技術(shù)的主要客戶運送其 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)勢之一。《The future of RRAM : From Embedded Application to In Memory Computing andB eyond》指出，28nm及以下的閃存會面臨需要額外增加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

在新型存儲方面，意法半導(dǎo)體一直是微控制器嵌入式存儲器相變存儲器 (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器技術(shù)相比具有多項顯著優(yōu)勢，比如擁有低延時、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。

或許是性能過于優(yōu)異，PCM率先登上了MCU的舞臺，據(jù)pc.watch報道，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。

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，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)寫入時間；提供可與嵌入式閃存媲美的可靠性和耐用性優(yōu)勢，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，意法半導(dǎo)體曾表示，ePCM解決方案可以克服汽車對容量更大的嵌入式存儲器的需求，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，計劃于2024年量產(chǎn)。其中，Stellar SR6 P和G兩個系列首批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，同時符合AEC-Q100 0級汽車標(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。

Objective Analysis首席分析師Jim Handy曾認(rèn)為MRAM比閃存更能持久儲存數(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，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热缂词骨袛嚯娫矗畔⒁膊粫G失，而且和DRAM一樣可隨機(jī)存取；可擦寫次數(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)程實現(xiàn)，IMEC在2018年IEEE IEDM 會議上就曾展示了在 5nm 技術(shù)節(jié)點引入 STT-MRAM 作為最后一級 (L3) 緩存存儲器的可行性，因此很多人認(rèn)為STT-MRAM會改變“存儲器（硬盤及NAND閃存）為非易失性、更高層級的內(nèi)存（DRAM及SRAM）為易失性”的傳統(tǒng)計算機(jī)架構(gòu)，有望成為領(lǐng)先的存儲技術(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 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 存儲單元陣列測試芯片上進(jìn)行的測量證實，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)用時間縮短 50%。

而在今年6月的VLSI 研討會上，瑞薩再次宣布已開發(fā)出用于STT-MRAM測試的電路技術(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)點來制造MCU，對于亞 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，因為它與現(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。

但瑞薩也指出，MRAM 的讀取余量過小，會降低讀取速度，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設(shè)備所需的無線 (OTA) 更新的系統(tǒng)停機(jī)時間，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)換時間的快速寫入技術(shù)，經(jīng)驗證，在測試芯片上實現(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，至于未來是否會轉(zhuǎn)向汽車領(lǐng)域，我們拭目以待。


新興存儲，誰會是未來選擇

那么，在眾多新興存儲技術(shù)中，誰會成為未來選擇？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)時間也指日可待，但需要注意的是，PCM并不是一個十全十美的選擇，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，會帶來更高功耗，且由于其存儲原理是利用溫度實現(xiàn)相變材料的阻值變化，所以對溫度十分敏感，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，熔點相對較低，或許會存在預(yù)編程的存儲器在焊接到印刷電路板上時可能被擦除的問題，雖然系統(tǒng)編程可以解決這個溫度限制問題，但它也會影響在高溫下10 年的保留能力。

其實，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，雖然這項技術(shù)在非易失存儲器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了革命性突破，但也沒逃過落魄的命運。

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，存儲容量和良率爬坡緩慢。

雖然上述說到，IMEC曾在2018年IEEE IEDM 會議上展示了在 5nm 技術(shù)節(jié)點引入 STT-MRAM 作為最后一級 (L3) 緩存存儲器的可行性，但其實這項技術(shù)也被證明不足以將操作擴(kuò)展到更快、更低級別的緩存 (L1/L2)。一方面，與SRAM相比，STT-MRAM寫入過程仍然相對低效且耗時，對切換速度（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造成絕緣層的小破壞，久而久之也會降低設(shè)備的耐用性，顯然對于需要亞納秒切換速度的L1/L2 緩存操作來說，STT-MRAM并不是一個良配。

至于RRAM，它的缺點也很明顯，最大的缺點就是嚴(yán)重的器件級變化性。器件級變化性直接關(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)動下的漂移和在熱驅(qū)動下的擴(kuò)散兩方面的運動，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，因此存儲密度較低；而Crossbar結(jié)構(gòu)的RRAM雖然存儲密度較高，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，每種存儲技術(shù)都各有優(yōu)缺點，并沒有完美的存在。MCU廠商如何進(jìn)行取舍？如何盡可能針對弱項研發(fā)出新技術(shù)？又如何針對新興技術(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)注新興存儲技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和態(tài)勢，否則將會被競爭者拋在身后。