MCU中有多少種存儲器？看MCU三巨頭都如何選擇

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

MCU產品迭代速度較快，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、易開發的優點，主要用在汽車風扇、空調、雨刷、天窗、車窗、座椅、門鎖等低階功能控制；而32位主要應用于中高端場景，如智能儀表、多媒體系統、動力系統、輔助駕駛等高階功能控制。據IC insights的數據，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。

MCU 中內部存儲器的數量取決于存儲器的分類方式。主要有兩種存儲器：隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。但是，根據內存性能不同，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，存在內存的虛擬與物理定義的問題。

RAM 的兩種主要類型是靜態隨機存取存儲器 (SRAM) 和動態隨機存取存儲器 (DRAM)。兩者都需要施加電壓來保存它們的信息。DRAM 很簡單，基本實現只需要一個晶體管和一個電容器。DRAM是所有內存技術中使用最廣泛的一種。當集成到 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勢仍超過了高性能應用中的成本劣勢。

SRAM 比 eDRAM 更復雜，通常由六個晶體管實現。 SRAM 比 DRAM 更快，因此非常適合集成到 MCU 中。它是最常用的內部 MCU 內存技術之一。 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。它們之間的主要區別在于它們的管理方式； Flash 在塊級別進行管理（寫入或擦除），而 EEPROM 可以在字節級別進行管理。閃存可用于 NAND 和 NOR 架構。 NAND 閃存以塊為單位處理數據，讀取速度快于寫入速度。它可以快速傳輸多頁數據。它提供比 NOR 更高的單位面積容量，用于高密度存儲。NOR Flash支持更細粒度的操作，并提供高速隨機訪問。NOR Flash可以讀寫特定的數據。

此外，雖然閃存的出現改變了過去ROM所帶來的擦除程序數據困難的問題，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行擦除操作，這樣就會導致運行速度比閃存高兩到三個數量級的主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備將臺積電的RAM非易失性存儲器 (NVM) 技術引入英飛凌的下一代 AURIX MCU中。

阻變存儲器，全稱為電阻式隨機存取存儲器，Resistive Random Access Memory，簡稱為ReRAM或RRAM。作為結構最簡單的存儲技術，RRAM通過改變電介質的電阻來工作，在電介質上施加恰到好處的電壓產生允許電流流動的細小導電絲，并能在高阻態和低阻態之間實現可逆轉換。

由于RRAM可以將DRAM的讀寫速度與SSD的非易失性結合于一身，因此其擁有了擦寫速度高、耐久性強、單個存儲單元能存儲多位數據的優勢。而它還有一個極為重要的優勢，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 的一個關鍵差異化因素。

此外，2016年《Application study: RRAM for Low-Power Microcontrollers》論文也曾指出，RRAM的一個可能應用領域就是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行置位或復位，但在閃存中，就必須先擦除整個塊，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，RRAM作為額外的存儲器，允許MCU快速進入非常深度的睡眠模式，從而可以完全關閉電源，將能量泄漏減少到零，并且存儲和恢復來自RRAM的數據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點的壽命。

從目前技術來看，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是向28nm邁進。據悉，英飛凌和臺積電在 RRAM NVM 技術方面合作了近十年，英飛凌官方消息顯示，RRAM 技術為性能擴展、功耗降低和成本改善創造了巨大潛力，已經向基于臺積電 28nm eFlash 技術的主要客戶運送其 AURIX TC4x 系列樣品，首批基于 28nm RRAM 技術的樣品將于 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。

據英飛凌透露，AURIX TC3x 已成為許多應用領域的首選汽車微控制器，而基于臺積電RRAM 技術的 AURIX TC4x 通過提高 ASIL-D 性能、人工智能功能和最新的網絡接口（包括 10Base T1S 以太網和 CAN-XL）進一步擴大了這一成功，AURIX TC4x MCU將性能擴展與虛擬化、安全和網絡功能的最新趨勢相結合，以支持下一代軟件定義的車輛和新的 E/E 架構，為在汽車領域引入 RRAM 奠定了基礎。

當然，除了低功耗，成本也是RRAM的優勢之一。《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，導致成本升高，而RRAM由于采用簡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，進而可以實現更低的生產成本。


快速讀取和寫入，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，尤其是汽車應用。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晶（導電）狀態與高電阻非結晶（非導電）狀態間轉換。

PCM的基本機制是在 1960 年代由Stanford Robert Ovshinsky發明，使用鍺銻碲 (GST) 合金制成，并利用非晶態和結晶態之間材料物理特性的快速熱控變化，以低電壓進行讀寫，與閃存和其他嵌入式存儲器技術相比具有多項顯著優勢，比如擁有低延時、寫入性能/數據保留，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特點。

或許是性能過于優異，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技術中，MCU廠家率先發布的eNVM技術就是ePCM。2018年，意法半導體宣布，內建ePCM的28nm FD-SOI車用MCU技術架構和性能標準，開始提供主要客戶搭載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，并研發高性能之低功耗汽車MCU的廠商。其實，意法半導體早在2000年就開始研究PCM，并與英特爾合作，2005年意法半導體和英特爾共同開發了90nm的PCM技術，2008年兩家公司合并了各自的分立存儲器業務，成立了 Numonyx NV 合資企業，隨后被美光（愛達荷州博伊西）收購。

曾有一篇文章分析了在eNVM各種技術中，為什么PCM是最適合車載應用，主要原因還是在于PCM的可制造性和成本。比如，在汽車應用中，ePCM 存儲元件的集成比 28 nm 嵌入式閃存技術便宜得多；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，顯著減少系統寫入時間；提供可與嵌入式閃存媲美的可靠性和耐用性優勢，允許進行更多寫入…

目前來看，意法半導體搭載ePCM的MCU就主要應用于汽車領域。在2018年時，意法半導體曾表示，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+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。其中，Stellar SR6 P和G兩個系列首批MCU配備高達20MB的PCM，確保讀寫效能優異，數據保存期限長，同時符合AEC-Q100 0級汽車標準。


靈活使用內存，瑞薩選擇MRAM

在eNVM各種技術中，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的技術，擁有非易失，讀寫次數無限，寫入速度快、功耗低，和邏輯芯片整合度高等技術特點。

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和其他新興非揮發性技術的特點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，不僅簡化了設計，而且透過讓同樣基于MRAM的MCU用于多種應用中，可為某些客戶節省成本。

目前，主流的MRAM技術是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，信息也不會丟失，而且和DRAM一樣可隨機存取；可擦寫次數超過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以下進程實現，IMEC在2018年IEEE IEDM 會議上就曾展示了在 5nm 技術節點引入 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、更高層級的內存（DRAM及SRAM）為易失性”的傳統計算機架構，有望成為領先的存儲技術。

瑞薩主攻的就是STT-MRAM，并為其不斷研發新技術。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，因此特別適合數據更新頻繁的應用，但隨著對 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 開發了兩種技術，分別是利用斜率脈沖的自終止寫入方案和同步寫入位數優化技術。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行的測量證實，上述兩種技術的組合可將寫入能量降低 72%，并將寫入脈沖應用時間縮短 50%。

而在今年6月的VLSI 研討會上，瑞薩再次宣布已開發出用于STT-MRAM測試的電路技術使用 22 納米工藝制造的具有快速讀寫操作的芯片。瑞薩表示，隨著物聯網和人工智能技術的不斷進步，需要采用更精細的工藝節點來制造MCU，對于亞 22 納米工藝，在生產線后端中制造的 MRAM 與在生產線前端中制造的閃存相比具有優勢，因為它與現有的 CMOS 邏輯工藝技術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，進而影響MCU的性能，因此需要進一步提高速度以縮短端點設備所需的無線 (OTA) 更新的系統停機時間，為此瑞薩開發了采用高精度靈敏放大電路的快速讀取技術和同步寫入位數優化和縮短模式轉換時間的快速寫入技術，經驗證，在測試芯片上實現 5.9 ns 隨機讀取訪問和 5.8 MB/s 寫入吞吐量。瑞薩認為，這些新技術有可能顯著提高內存訪問速度超過 100 MHz，從而實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電子，從瑞薩官方消息來看，目前其集成STT-MRAM技術的MCU主要應用在物聯網領域，至于未來是否會轉向汽車領域，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率，會帶來更高功耗，且由于其存儲原理是利用溫度實現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必須采取多層結構，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內存技術就是PCM的一種，由于所需要的掩膜版過多導致成本升高，并且制造難度也十分困難等原因，雖然這項技術在非易失存儲器領域實現了革命性突破，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。

雖然上述說到，IMEC曾在2018年IEEE IEDM 會議上展示了在 5nm 技術節點引入 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寫入過程仍然相對低效且耗時，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 MTJ 的電流，從而流過薄的電介質屏障，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，最大的缺點就是嚴重的器件級變化性。器件級變化性直接關乎芯片的可靠性，但由于RRAM器件狀態的轉變需要透過給兩端電極施加電壓來控制氧離子在電場驅動下的漂移和在熱驅動下的擴散兩方面的運動，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，每種存儲技術都各有優缺點，并沒有完美的存在。MCU廠商如何進行取舍？如何盡可能針對弱項研發出新技術？又如何針對新興技術研發出所需的新設備、新材料？這些都是不容忽視、且需要考慮的問題，但有一點可以確認，那就是哪怕是MCU廠商，也必須密切關注新興存儲技術的發展狀況和態勢，否則將會被競爭者拋在身后。