DSO.ai
AI驱动的设计应用
了解更多 →
简介
世界比以往任何时候都更加互联；这不仅限于人与人之间使用手机或社交媒体进行的互联，也包括数百万台收集和传输数据的设备之间的互联。如今，我们生活在一个万物智能的世界。在这样的世界里，我们可以发出指令，让洗碗机在特定的时间运行，或者指示冰箱根据我们存储的食物监测温度。我们的汽车可以根据驾驶员优化汽车座椅。微控制器 (MCU) 是一个完整的系统，包含一个处理单元和内置存储；为这种日常自动化提供支持。MCU 是专为可编程性而设计的最具成本效益的解决方案，是物联网和汽车应用的理想选择。
嵌入式闪存 (eFlash) 是用于内置存储的常用非易失性存储器 (NVM)。由于片上存储器容量的增加以及 eFlash 达到 28nm 以下的极限，这种存储器空间正在迅速变化。eFlash 面临多个竞争者：自旋传输转矩 MRAM (STT-MRAM)、相变 RAM (PCRAM)、电阻式 RAM (ReRAM) 和铁电 RAM (FeRAM)，而 MRAM 和 ReRAM 在市场上处于领先地位。技术转变中的这些转折点令人兴奋；许多变量都可以是成功的助力：市场需求、可制造性、可靠性以及新技术的利弊。凭借独特的优势，嵌入式 MRAM (eMRAM) 将取代 eFlash。
MCU 中的存储器层次结构
在典型的 MCU 片上系统 (SoC) 中，有四种类型的存储器（图 1）：
- 缓存存储器：使用触发器或 SRAM 设计的小型存储器。它们需要高速读写操作和非常高的耐久性。
- 数据存储器：高容量存储器，用于将数据馈送到处理单元，旨在提高整体系统效率。这些是高密度存储器，通常是 SRAM。
- 密钥存储存储器：用于存储芯片 ID、安全代码、SRAM 修复签名或模拟电路修调信息的小型 NVM。它们不需要高耐久性；因此，ROM、基于反熔丝的一次性可编程 (OTP) 存储器或 eFuses 通常用于这些存储器。
- 代码和数据存储存储器：高容量 NVM 存储启动代码、固件和数据。随着 AI/ML、IoT 和自动化的进步，存储器容量也在不断增加，而功耗也变得至关重要。以前，eFlash 是实现这一目的的选择。
图 1：MCU 设计的方块图
eFlash 对于未来的 MCU 来说还不够
eFlash 是集成在 SoC 中的 NVM 解决方案。因此，它比在系统之外使用 NVM 更快。基于 IP 提供商的 eFlash 使用不同的闪存技术开发而成，如浮栅、SONOS 或 SG-MONOS。它需要额外的掩码 (5-13 层)；用于程序/擦除的高电压 (>5V)；仅支持页面/块级擦除；无法进行字节写入，因而成为昂贵的高功率解决方案。直到达到 28nm 节点，eFlash 停止扩展时，行业才接受这些限制。
随着计算需求的不断增加，设计人员希望使用更小的工艺几何结构，以更低的面积和功耗实现更高的性能。eFlash 扩展限制为设计人员提供了两种选择（图 2）：
1. 将 NVM 保持在计算 SoC 之外
- 优点：无需使用计算芯片扩展存储器
- 缺点：可变成本、更高的延迟、更高的系统功耗以及安全性
2. 将 NVM 保留在计算 SoC 内
- 寻找支持安全、高性能和低功耗设计的替代高级 NVM 解决方案。
图 2：高级 NVM 解决方案是未来 MCU 的更好选择
eMRAM 引领新兴 NVM 市场
传统的嵌入式存储器（如 SRAM 和 Flash）通过电荷存储信息。与之不同的是，eMRAM 通过旋转存储数据。eMRAM 的自旋电子性质由铁磁性和非磁性材料组成，这些材料形成磁隧道连接 (MTJ)。即使移除电源，MTJ 也能保持极化，保留存储的数据。eMRAM 可提供更小的面积、更低的泄漏、更高的容量和更好的抗辐射性。
与 PCRAM 和 ReRAM 相比，eMRAM 具有更低的温度灵敏度，可提供更好的生产级良率，并提供更长的耐久性（在多年内在多个读/写循环中保留数据）。它允许字级擦除和程序操作，因而成为节能的 NVM 解决方案。尽管 eMRAM 的制造成本高于 ReRAM，但其更高的可靠性和更低的可变性导致了面积效率和稳健设计，从而抵消了更高的晶圆成本。单个晶粒可以拥有更多具有 eMRAM 的存储器，或者利用 eMRAM 的设计可以更小、更节能，而存储量相同。eMRAM 已经投产，领先的代工厂正在生产 22nm，现在正在迁移到 FinFET 节点。
图 3：统一的 eMRAM 解决方案是用于高级 MCU 的解决方案
Synopsys 正在引领 eMRAM
Synopsys 的 eMRAM 产品是完整的 NVM 存储器 IP 解决方案，可帮助设计人员以更小的面积和功耗实现更高的存储器容量。我们的产品是一个可配置、完全集成的存储器 IP，使得设计人员可以根据其需求选择最佳实例（图 4）。它包括一个存储器编译器、纠错码 (ECC) 和内存 BIST，可加速设计周期并缩短上市时间 (TTM)。
图 4：可配置的 eMRAM IP 为多个字宽、纵横比和平面图优化提供了灵活性
虽然 eMRAM 具有许多极具吸引力的优势，但设计人员应使用经过硅验证的可靠解决方案，该解决方案无缝集成了 BIST 和 ECC 支持。为提高该解决方案的可靠性和耐久性，Synopsys eMRAM 提供了读取-修改-写入、写入-验证-写入和可编程参考电压生成等差异化功能。我们的 eMRAM 设计支持 150ºC 结温，是汽车应用的理想选择。
MCU 设计人员将解决方案集成到 SoC 中时，必须考虑 eMRAM 磁抗扰性。这包括测试 MRAM 的灵敏度水平（以高斯或奥斯特报告），并把此规格告知客户。芯片附近任何可能变得具有磁性的元件（例如电感器线圈）都会影响 eMRAM 的性能，因此系统设计人员必须将元件与 eMRAM 保持足够距离，以防止受这些元件影响。在 Synopsys，我们根据代工厂提供的指南，在静态和动态条件下测试 MRAM 磁抗扰度。带磁屏蔽的芯片封装还可以保护 eMRAM 免受具有大磁场的设备的影响。
Synopsys eMRAM 解决方案采用低风险设计技术，以避免读干扰处罚。Synopsys SMS BIST 和 STAR ECC 解决方案提供了广泛的功能来优化制造良率和可靠性。STAR ECC 支持可配置的 ECC 实施，允许设计灵活性和可靠性。DECTED 等功能可改善故障率检测和校正，这对于汽车应用非常重要。上市时间是另一个重要考虑因素。Synopsys 的解决方案简化了 IP 集成过程，并提供了硅验证报告和硅启动指南，从而缩短了周转时间 (TAT)。
Synopsys 存储器解决方案满足高级 MCU 的独特需求
作为在易失性和非易失性存储器设计方面具有丰富经验的值得信赖的 IP 合作伙伴，Synopsys 提供了低风险解决方案来帮助加快高质量 MCU 的开发：
- Synopsys eMRAM Compiler IP 提供可配置的存储器 IP 解决方案，让您可以选择优化实例大小、电源门控和冗余功能以及 ECC 方案。eMRAM 硬宏的即时编译为设计师提供了布局规划灵活性，缩短了设计周转时间，从而缩短了上市时间。
- Synopsys SRAM & ROM Compiler IP 为设计人员提供了广泛的高速、高密度、超高密度存储器编译器，以探索功耗、性能和面积 (PPA) 之间的权衡，从而为设计提供最佳的存储器配置。
- Synopsys NVM OTP 解决方案 基于反熔丝技术，并具有增强的安全功能，可提供抗攻击性，是高可靠性应用的首选。
- Synopsys 自测和修复 (STAR) 存储器系统 为 SRAM 和eMRAM 提供全套测试、修复和诊断功能，可在不牺牲测试覆盖范围的情况下优化测试时间。可配置的内存 BIST 和修复算法可缓解 SRAM 和 MRAM 缺陷。
- Synopsys STAR ECC Compiler IP 通过实现多位检测和纠正（例如 DECTED），提高了场内可靠性。IP 可通过场内纠错最大限度地提高生产产量，由于 eMRAM 技术的随机性，这一点至关重要。
- Synopsys 芯片生命周期管理系列提供对硅的洞察，允许调整到性能水平或余量，从而实现更好的运行。
存储器将是我们使用的每个电子设备或系统不可或缺的一部分。eMRAM 将通过提供高容量、低功耗和工艺技术扩展，在下一代高性能嵌入式应用中发挥更重要的作用。
请联系您的 Synopsys 销售代表，详细了解 Synopsys 的 eMRAM 解决方案如何改进您的下一款产品，同时降低设计风险。
更多资源
Synopsys IP 技术公告
深度技术文章、白皮书、视频、网络研讨会、产品公告等等。