半導體技術(shù)持續更新迭代，MCU也要與時(shí)俱進(jìn)。為了更好地迎接未來(lái)趨勢，有的廠(chǎng)商選擇從內核下手，比如，由Arm Cortex-M內核轉向RISC-V內核；也有選擇集成AI，通過(guò)在MCU中加入AI加速器，讓MCU更加智能；還有一種就是本文將主要介紹的，集成新型存儲器。

MCU作為一款需要集成CPU、SRAM、非易失性存儲器，以及專(zhuān)用外設的芯片，最常見(jiàn)的存儲器形式主要包括了 eDRAM 、SRAM 易失性存儲器、閃存、EEPROM 非易失性存儲器，這其中集成式閃存是MCU的重要特征。然而，隨著(zhù)時(shí)間的推移，閃存卻逐漸開(kāi)始成為制約MCU提高性能、降低功耗的瓶頸之一。一方面，閃存的制程難以擴展到40nm以下，而MCU卻已經(jīng)開(kāi)始向28nm邁進(jìn)，并且這些存儲單元難以集成到非常復雜的高k金屬柵極技術(shù)中；另一方面，車(chē)載MCU中集成的閃存的可擦寫(xiě)次數太少，隨著(zhù)每個(gè)寫(xiě)入和擦除周期，浮柵 NOR 單元中的隧道氧化物會(huì )退化并且泄漏會(huì )增加，從而加速閃存老化，使其不適合作為數據存儲器。

此外，雖然閃存的出現改變了過(guò)去ROM所帶來(lái)的擦除程序數據困難的問(wèn)題，但嵌入式閃存仍需要較長(cháng)的寫(xiě)入時(shí)間，部分原因在于需要在寫(xiě)入操作之前必須進(jìn)行擦除操作，這樣就會(huì )導致運行速度比閃存高兩到三個(gè)數量級的主MCU必須等待存儲器訪(fǎng)問(wèn)，而這些問(wèn)題都有可能對MCU性能產(chǎn)生不利影響。

基于上述因素，越來(lái)越多的MCU大廠(chǎng)開(kāi)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，當然不同的大廠(chǎng)也有著(zhù)他們不同的選擇...

極致低功耗，英飛凌 pick RRAM

MCU巨頭廠(chǎng)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(chēng)為電阻式隨機存取存儲器，Resistive Random Access Memory，簡(jiǎn)稱(chēng)為ReRAM或RRAM。作為結構最簡(jiǎn)單的存儲技術(shù)，RRAM通過(guò)改變電介質(zhì)的電阻來(lái)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(dòng)的細小導電絲，并能在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實(shí)現可逆轉換。

由于RRAM可以將DRAM的讀寫(xiě)速度與SSD的非易失性結合于一身，因此其擁有了擦寫(xiě)速度高、耐久性強、單個(gè)存儲單元能存儲多位數據的優(yōu)勢。而它還有一個(gè)極為重要的優(yōu)勢，就是功耗低，Rambus Labs高級副總裁Gary Bronner就曾強調，RRAM的功耗比閃存低得多，可能是下一代 MCU 的一個(gè)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(gè)可能應用領(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(gè)存儲單元都可以獨立于其他單元進(jìn)行置位或復位，但在閃存中，就必須先擦除整個(gè)塊，從而增加了數據管理的工作量。此外，與閃存相比，RRAM存儲塊的設計不太復雜，高壓發(fā)生器不是必需的，并且具有雙柵極的晶體管的復雜結構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。

該論文也得出結論稱(chēng)，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，并且存儲和恢復來(lái)自RRAM的數據所需時(shí)間和能量也很低，而少于一分鐘的睡眠時(shí)間甚至可以分別增加電池和傳感器節點(diǎn)的壽命。

從目前技術(shù)來(lái)看，RRAM顯然有望“備胎轉正”，能做的不僅僅是MCU中的備份存儲器。此前有數據顯示，采用 65 nm工藝制造的 RRAM 將有助于減小芯片和內存尺寸，同時(shí)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(hù)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(hù)。從某種意義上來(lái)說(shuō)，采用28nm工藝制造的RRAM或許會(huì )帶來(lái)從尺寸、功耗，到速度等多方面的驚喜。

據英飛凌透露，AURIX TC3x 已成為許多應用領(lǐng)域的首選汽車(chē)微控制器，而基于臺積電RRAM 技術(shù)的 AURIX TC4x 通過(guò)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)一步擴大了這一成功，AURIX TC4x MCU將性能擴展與虛擬化、安全和網(wǎng)絡(luò )功能的最新趨勢相結合，以支持下一代軟件定義的車(chē)輛和新的 E/E 架構，為在汽車(chē)領(lǐng)域引入 RRAM 奠定了基礎。

當然，除了低功耗，成本也是RRAM的優(yōu)勢之一?！禩he future of RRAM : From Embedded Application to In Memory Computing andB eyond》指出，28nm及以下的閃存會(huì )面臨需要額外增加9-12層掩膜版，導致成本升高，而RRAM由于采用簡(jiǎn)單的內存單元結構與材料，因此只需多增加一層掩膜版，就能夠整合于現有的制造流程，進(jìn)而可以實(shí)現更低的生產(chǎn)成本。

快速讀取和寫(xiě)入，ST認準PCM

在新型存儲方面，意法半導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(chē)應用。PCM全稱(chēng)Phase-change RAM（相變存儲器），也可以為PCRAM，原理是通過(guò)改變溫度，讓相變材料在低電阻結晶（導電）狀態(tài)與高電阻非結晶（非導電）狀態(tài)間轉換。

PCM的基本機制是在 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(xiě)，與閃存和其他嵌入式存儲器技術(shù)相比具有多項顯著(zhù)優(yōu)勢，比如擁有低延時(shí)、寫(xiě)入性能/數據保留，壽命長(cháng)，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(diǎn)。

或許是性能過(guò)于優(yōu)異，PCM率先登上了MCU的舞臺，據pc.watch報道，在28納米世代以后的生產(chǎn)技術(shù)中，MCU廠(chǎng)家率先發(fā)布的eNVM技術(shù)就是ePCM。2018年，意法半導體宣布，內建ePCM的28nm FD-SOI車(chē)用MCU技術(shù)架構和性能標準，開(kāi)始提供主要客戶(hù)搭載ePCM的MCU樣片。

消息顯示，意法半導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(chē)MCU的廠(chǎng)商。其實(shí)，意法半導體早在2000年就開(kāi)始研究PCM，并與英特爾合作，2005年意法半導體和英特爾共同開(kāi)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(ài)達荷州博伊西）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(chē)載應用，主要原因還是在于PCM的可制造性和成本。比如，在汽車(chē)應用中，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(xiě)入，縮短了工廠(chǎng)編程時(shí)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(zhù)減少系統寫(xiě)入時(shí)間；提供可與嵌入式閃存媲美的可靠性和耐用性?xún)?yōu)勢，允許進(jìn)行更多寫(xiě)入…

目前來(lái)看，意法半導體搭載ePCM的MCU就主要應用于汽車(chē)領(lǐng)域。在2018年時(shí)，意法半導體曾表示，ePCM解決方案可以克服汽車(chē)對容量更大的嵌入式存儲器的需求，其最高工作溫度可達+165℃，能夠確保在高溫回流焊制程后其韌體／數據可完好保存，并且抗輻射，為數據提供更多的安全保護。到了2021年8月，意法半導體開(kāi)始向主要車(chē)商交貨其首批Stellar SR6系列車(chē)用MCU，計劃于2024年量產(chǎn)。其中，Stellar SR6 P和G兩個(gè)系列首批MCU配備高達20MB的PCM，確保讀寫(xiě)效能優(yōu)異，數據保存期限長(cháng)，同時(shí)符合AEC-Q100 0級汽車(chē)標準。

靈活使用內存，瑞薩選擇MRAM

在eNVM各種技術(shù)中，日本MCU大廠(chǎng)瑞薩選擇了MRAM。MRAM全稱(chēng)Magnetic RAM（磁性存儲器），是一種基于隧穿磁阻效應的技術(shù)，擁有非易失，讀寫(xiě)次數無(wú)限，寫(xiě)入速度快、功耗低，和邏輯芯片整合度高等技術(shù)特點(diǎn)。

Objective Analysis首席分析師Jim Handy曾認為MRAM比閃存更能持久儲存數據，他表示，MRAM和其他新興非揮發(fā)性技術(shù)的特點(diǎn)之一在于編程人員能夠靈活地使用內存。工程師不再需要將程序代碼限制在NOR的大小或限制數據只能在SRAM的大小，不僅簡(jiǎn)化了設計，而且透過(guò)讓同樣基于MRAM的MCU用于多種應用中，可為某些客戶(hù)節省成本。

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(huì )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)一步擴展的能力，雖然STT-MRAM具有與 DRAM和 SRAM相當的性能，比如即使切斷電源，信息也不會(huì )丟失，而且和DRAM一樣可隨機存??；可擦寫(xiě)次數超過(guò)1015次,和DRAM及SRAM相當,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(shí)現，IMEC在2018年IEEE IEDM 會(huì )議上就曾展示了在 5nm 技術(shù)節點(diǎn)引入 STT-MRAM 作為最后一級 (L3) 緩存存儲器的可行性，因此很多人認為STT-MRAM會(huì )改變“存儲器（硬盤(pán)及NAND閃存）為非易失性、更高層級的內存（DRAM及SRAM）為易失性”的傳統計算機架構，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(xiě)入操作速度。

瑞薩表示，MRAM 比閃存需要更少的寫(xiě)入操作能量，因此特別適合數據更新頻繁的應用，但隨著(zhù)對 MCU 數據處理能力的需求激增，改善性能和功耗之間權衡的需求也在增加，進(jìn)一步降低功耗仍然是一個(gè)緊迫的問(wèn)題。為了滿(mǎn)足這一需求，瑞薩為 MRAM 開(kāi)發(fā)了兩種技術(shù)，分別是利用斜率脈沖的自終止寫(xiě)入方案和同步寫(xiě)入位數優(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(shí)，上述兩種技術(shù)的組合可將寫(xiě)入能量降低 72%，并將寫(xiě)入脈沖應用時(shí)間縮短 50%。

而在今年6月的VLSI 研討會(huì )上，瑞薩再次宣布已開(kāi)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(xiě)操作的芯片。瑞薩表示，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，需要采用更精細的工藝節點(diǎn)來(lái)制造MCU，對于亞 22 納米工藝，在生產(chǎn)線(xiàn)后端中制造的 MRAM 與在生產(chǎn)線(xiàn)前端中制造的閃存相比具有優(yōu)勢，因為它與現有的 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(guò)小，會(huì )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(diǎn)設備所需的無(wú)線(xiàn) (OTA) 更新的系統停機時(shí)間，為此瑞薩開(kāi)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(xiě)入位數優(yōu)化和縮短模式轉換時(shí)間的快速寫(xiě)入技術(shù)，經(jīng)驗證，在測試芯片上實(shí)現 5.9 ns 隨機讀取訪(fǎng)問(wèn)和 5.8 MB/s 寫(xiě)入吞吐量。瑞薩認為，這些新技術(shù)有可能顯著(zhù)提高內存訪(fǎng)問(wèn)速度超過(guò) 100 MHz，從而實(shí)現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體應用于汽車(chē)電子，從瑞薩官方消息來(lái)看，目前其集成STT-MRAM技術(shù)的MCU主要應用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，至于未來(lái)是否會(huì )轉向汽車(chē)領(lǐng)域，我們拭目以待。

新興存儲，誰(shuí)會(huì )是未來(lái)選擇

那么，在眾多新興存儲技術(shù)中，誰(shuí)會(huì )成為未來(lái)選擇？目前來(lái)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(shí)間也指日可待，但需要注意的是，PCM并不是一個(gè)十全十美的選擇，它也有著(zhù)一定的局限性。

一是，PCM RESET后的冷卻過(guò)程需要高熱導率，會(huì )帶來(lái)更高功耗，且由于其存儲原理是利用溫度實(shí)現相變材料的阻值變化，所以對溫度十分敏感，無(wú)法用在寬溫場(chǎng)景。

二是，為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCM必須采取多層結構，因此存儲密度過(guò)低，在容量上無(wú)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(diǎn)相對較低，或許會(huì )存在預編程的存儲器在焊接到印刷電路板上時(shí)可能被擦除的問(wèn)題，雖然系統編程可以解決這個(gè)溫度限制問(wèn)題，但它也會(huì )影響在高溫下10 年的保留能力。

其實(shí)，被大家所熟知的英特爾3D XPoint內存技術(shù)就是PCM的一種，由于所需要的掩膜版過(guò)多導致成本升高，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)域實(shí)現了革命性突破，但也沒(méi)逃過(guò)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，工藝較為復雜，大規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(shuō)到，IMEC曾在2018年IEEE IEDM 會(huì )議上展示了在 5nm 技術(shù)節點(diǎn)引入 STT-MRAM 作為最后一級 (L3) 緩存存儲器的可行性，但其實(shí)這項技術(shù)也被證明不足以將操作擴展到更快、更低級別的緩存 (L1/L2)。一方面，與SRAM相比，STT-MRAM寫(xiě)入過(guò)程仍然相對低效且耗時(shí)，對切換速度（不快于5ns）構成了固有限制。另一方面，速度增益將需要增加流過(guò) MTJ 的電流，從而流過(guò)薄的電介質(zhì)屏障，因此每一次的讀寫(xiě)都會(huì )造成絕緣層的小破壞，久而久之也會(huì )降低設備的耐用性，顯然對于需要亞納秒切換速度的L1/L2 緩存操作來(lái)說(shuō)，STT-MRAM并不是一個(gè)良配。

至于RRAM，它的缺點(diǎn)也很明顯，最大的缺點(diǎn)就是嚴重的器件級變化性。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)的轉變需要透過(guò)給兩端電極施加電壓來(lái)控制氧離子在電場(chǎng)驅動(dòng)下的漂移和在熱驅動(dòng)下的擴散兩方面的運動(dòng)，使得導電絲的三維形貌難以調控，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陣列擁有兩種機構，但是1T1R結構的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結構的RRAM雖然存儲密度較高，但存在互連線(xiàn)上的電壓降和潛行電流路徑，造成讀寫(xiě)性能下降，能耗上升以及寫(xiě)干擾等問(wèn)題。

總而言之，每種存儲技術(shù)都各有優(yōu)缺點(diǎn)，并沒(méi)有完美的存在。MCU廠(chǎng)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)出所需的新設備、新材料？這些都是不容忽視、且需要考慮的問(wèn)題，但有一點(diǎn)可以確認，那就是哪怕是MCU廠(chǎng)商，也必須密切關(guān)注新興存儲技術(shù)的發(fā)展狀況和態(tài)勢，否則將會(huì )被競爭者拋在身后。