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公司博客

SiP 和 eNVM: 哪一个是最好的选择?

汽车电子和物联网应用的蓬勃发展,推动着市场对于MCU需求的增长。最新的预测表明,MCU在未来五年的年复合增长率会达到4%, 而汽车MCU的增长率会高达14%。

非挥发性存储器(NVM)是MCU芯片必不可少的组成部分,它不仅需要用来存储代码,而且需要用来存储使用过程中产生的数据。

两种方案

业界通常有两种MCU存储模块的解决方案:嵌入式存储器(eNVM)和系统级封装 (片外存储器–SIP)。eNVM工艺是在逻辑工艺平台的基础上开发的特殊工艺,通过这种工艺生产出带有非挥发存储器模块的的芯片。对于不同的eNVM工艺,需要增加不同层数的光罩,因此它的工艺成本相比于逻辑工艺有一定的增加。对于SIP解决方案,是通过封装的方法,把一颗NOR闪存芯片和逻辑芯片封装在一起,代码和数据存储在独立的、外挂的NOR闪存芯片上。

目前,世界领先的MCU厂商主要使用eNVM方案,但SIP方案对于新进入的公司很有吸引力,因为这种设计简单,设计周期短,从而使厂商降低设计成本,加快上市速度。然而,SIP解决方案无法满足特定应用场景的所有要求,综合考虑到成本、功耗、速度、安全性、稳定性和可靠性要求,很多应用场景下,使用eNVM是更好的解决方案。

综合评估

为了帮助MCU厂商选择最优的解决方案,我们从功耗、启动时间、速度、安全性、可靠性和成本等方面,结合客户目标的应用场景,比较一下两种方案。

  • 功耗:eNVM的功耗会比SIP低30%以上,因为SIP采用外挂的Flash芯片,在读写操作的时候,需要驱动IO,造成功耗的增加。因此,对于用于电池供电的低功耗应用,格芯推荐使用eNVM。
    GF and eVaderis are co-developing a low power MCU using 22FDX and eMRAM
  • 启动时间:eNVM的启动速度比SIP快20倍以上(Datasheet spec: 5us vs >100us)。而且,因为eNVM是XIP(eXecute In Place),主芯片可以直接从NVM模块读数据进行启动,而SIP Flash,系统通常需要将数据从外部存储器下载到片上SRAM,需要更长的时间。因此,对于需要快速启动的常闭应用,格芯推荐eNVM。
  • 速度:eNVM比SIP提供2X以上的更快的读取速度(10ns, x32的eFlash是400MB/s vs 最高端的SPI NOR, 400MHz, 8bit位宽速度是200 MB/s)。更进一步,eNVM模块的位宽可以很容易的扩展到X64,X128,甚至X256,所以,eNVM的速度更具优势。因此,对于需要高速/高带宽的应用,格芯推荐使用eNVM。
  • 安全性:eNVM比SIP提供更高的安全性,因为eNVM模块可以被定制,同时,工艺可以使用诸如PUF之类的IP来增强安全性。相反,SIP Flash是市场上的标准产品,很难增加额外的安全性设计。因此,对于需要高安全性的应用,格芯推荐eNVM。
  • 可靠性:eNVM提供了更高的可靠性。在嵌入式工艺开发的时候,eNVM和逻辑工艺作为一个整体,可以直接达到车规1级或者0级,因此对于严格可靠性要求的应用,格芯推荐eNVM。
    40nm Embedded Self-Aligned Split-Gate Flash Technology for High Density Automotive MCU
    CMOS Embedded STT-MRAM arrays in 2x nm Modes for GP-MCU applications
  • 成本:成本是最难比较的部分,牵涉范围广,通常需要考虑以下一些因素:
    • NVM的存储大小和整个芯片尺寸,它决定了每片晶圆上面的芯片颗粒的数量。
    • 逻辑工艺和eNVM工艺的晶圆价格。
    • SIP方案中,片上SRAM的容量,用于在系统启动的时候,从外部存储中下载代码。
    • SIP方案的闪存KGD价格
    • 晶圆测试成本
    • 其他因素如晶圆良率(逻辑工艺和嵌入式工艺),封装的良率损失,管理成本等

成本比较

我们选取了六个典型的NVM存储容量(2MB,4MB,8MB,16MB,32 MB,128MB),在格芯的40nm LP逻辑工艺和嵌入式工艺,22FDX®(22nm FD-SOI)逻辑工艺和嵌入式工艺,一共4种工艺平台上,进行成本的比较。

同时,对于SIP方案,因为每个产品都有不同启动方法,会用到不同的片上SRAM容量来“映射”外部闪存。下面的比较选择了最理想的情况:SIP解决方案和eNVM解决方案利用完全相同的SRAM容量。实际情况是,大多数常见的SIP解决方案会采用更大的SRAM容量。

来源: 格芯

从上图可以看到,对于采用40nm平台的产品,当NVM容量小于16Mb时,选择eNVM(eFlash)的方案,成本较低,而当NVM容量等于或高于16Mb时,SIP解决方案成本较低。

对于采用22nm FDX技术的产品,当NVM容量小于32 Mb时,eNVM(eMRAM)解决方案的成本较低,而当NVM容量等于或高于32 Mb时,SIP解决方案成本较低。

比较这两个平台,22FDX eNVM解决方案在所有NVM容量条件下的成本都比40nm SIP方案更低。与此同时在功率、速度、安全性和可靠性方面均优于SIP解决方案。

更重要的一点,当SIP选用更大的SRAM容量时,eNVM解决方案的优势更加明显。

最优选择

总之,eNVM和SIP解决方案都是设计制造MCU的可行方法。然而,基于优越的功耗、速度、安全性和可靠性,eNVM往往是MCU的更好选择。在成本方面,对于小容量,eNVM通常比SIP更低。MCU厂商通常需要权衡各种方案的利弊,来赢得市场。而格芯提供了多种解决方案,来协助我们的客户取得成功。格芯的eNVM技术,使用从主流的130nm平台到领先的22nm FDX平台,以满足新兴市场的多样化需求。低功耗的FDX平台加上低功耗的eMRAM的解决方案,是IoT应用的最优选择,而eMRAM超快的存储速度和高容量,使它同样适用于计算和存储市场。结合了RF和优越性能的LP + eFlash方案, 特别适用于汽车,工业,和消费类MCU市场。而格芯的成熟的SIP解决方案可以帮助客户加快产品面世的进程

请联系格芯为您的特定MCU架构提供更精确的的SIP与eNVM的比较分析。

关于作者

张亚峰

张亚峰在半导体行业有超过15年的经验,包括产品设计、应用和技术营销。他目前负责格芯eFlash产品的技术营销, 产品涵盖130 nm到40 nm,并专注于支持全球的MCU客户。在加入格芯之前,他曾任多个职务,包括在美光半导体(Micron SemSystems)负责45 nm NOR存储器设计和产品技术支持应用,以及在新思科技(Synopsys)和中芯国际担任了多个职务。张亚峰拥有复旦大学微电子硕士和材料科学学士学位。

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