轿车微操控器正在应战嵌入式非易失性存储器（e-NVM）的极限，首要体现在存储单元面积、拜访时刻和耐热功用三个方面。在许多细分商场（例如：网关、车身操控器和电池办理单元）上，跟着运用杂乱程度进步，存储单元面积成为决定性应战；在轿车动力总成(发动机和变速箱) 操控器和安全运用(制动体系)范畴，契合最高165°C的工作温度规模至关重要。最终，优化的拜访时刻能够保证体系的整体能效。
FEOL(前工序) e-NVM [1]处理计划能够在稳健牢靠的高良率芯片上完成十分短的随机拜访时刻（Ta），可是杂乱的数据办理是这项技能的最大短板。该处理计划需求扇区擦除和重写进程，数据从头分配和新的代码履行操作也就不可避免。研究人员又提出了几个BEOL (后工序) e-NVM处理计划，首要长处包含不需求数据擦除操作，支撑逐位修正数据，数据从头分配不再是有必要的。在BEOL结构中，RRAM处理计划[2]的读取电流窗口和存储单元面积两项参数更有竞争力，可是工作温度规模较窄。MRAM存储器[3]的Ta功用十分有竞争力，可是存储单元面积较大，工作温度规模较窄。
本文提出一个选用28nm FD-SOI CMOS技能的嵌入式相变存储器 (PCM)，这个BEOL e-NVM处理计划在存储单元面积、拜访时刻和温度规模三者之间到达了咱们所知的最佳平衡点。本文介绍一个集成6MB PCM的轿车0级微操控器芯片，这是一个稳健牢靠的嵌入式存储器处理计划，能够满意一切的轿车工业规范的严格要求。该PCM [4]选用的GexSbyTez资料经过优化，契合轿车工业技能规范的要求(150°C工作温度，10年数据保存期限)。由于与集成存储元件相关的工序很少，28nm被认为是在FD-SOI CMOS技能平台上充分发挥PCM优势的最佳节点[5]。支撑轿车环境所需的5V接口需求添加额定的工序。FD-SOI技能让处理计划具有按捺静态走漏电流的功用。FD-SOI器材的体偏置电压规模更广，能够将晶体管的VT阈值电压调到300mV左右，然后显着下降存储阵列内未选位的漏电流。
为了保证嵌入式存储器从闪存变成PCM进程中微操控器运用级兼容性，依照指令用处装备相变存储器结构，镜像出与闪存相同的逻辑架构，包含一个等效的闪存擦除操作（即便PCM架构不需求），如图1所示。这个6 MB的嵌入式代码存储器分为三个2 MB的读写同步（RWW）分区。从芯片上还看到一个有2个RWW分区的256kB的嵌入式非易失性数据存储器。两个存储阵列共用TILE结构。
图1 ：闪存到PCM逻辑架构。PCM IP（本文）的规划意图是模仿现有（产品中）e-NVM闪存处理计划功用，并供给软件兼容性。
由于能够运用规范CMOS晶体管和低电压，PCM使能架构取得了很短的拜访时刻Ta。微安等级的PCM存储单元读取信号功耗，结合高速行解码器、快速读出放大器和阵列列走漏电流按捺电路，能够将拜访时刻Ta降到10ns以内。挑选器栅极可选用不同的驱动办法（由word line字线驱动器驱动），详细办法取决于在PCM单元上履行的操作（读取或写入）。在读出时，word line字线挑选有必要快速（纳秒级），只有用薄氧化物晶体管才干完成这个速度：挑选器驱动电压低至0.85V，这还能让布局变得更紧凑。相状况改换需求相对较高的电压，所以需求在写入途径顶用厚氧化物MOS管，然后使行解码器面积得到优化。
由于FD-SOI CMOS技能扩展了正向体偏压规模，因而能够在高温环境中有效地办理阵列走漏电流。经过更大的VT改变规模，负电压动态办理功用使挑选器完成了驱动才能与能效的平衡，将位线（bitline）走漏电流降至最低，且不影响读取电流，一起还平衡了读写功用。稳压器反应回路的温度规模有多个非线性子规模，以便在更高温度下完成更好的操控作用（图2）。
图2：与FDSOI挑选器阵列配对的读写行解码器; 以体偏压是温度规模的函数的办法办理列走漏电流操控战略本处理计划还充分利用了PCM的低压读出功用，功耗显着低于传统闪存处理计划。在闪存计划中，队伍读操作都需求4-5V的电压，然而在某些运用没有这个电压，因而还需求额定添加一个电荷泵，致使读功耗添加3-6倍。PCM能够运用惯例电压偏置办法完成读取操作，而无需衔接额定的电荷泵。
图3：差分读取放大器; PCM拜访时序图，2个等候状况（WS）
图3所示是读出放大器（SA）。位线读取电压由NMOS共源共栅晶体管操控：存储单元读电流和基准电流流过共源共栅，最终注入比较网（refcp1和refcp2）。共源共栅结构支撑比较网快速放电。在预充电阶段完毕后，开释这些比较网，网络动态电压演化被转换为内部锁存器的数字输出，用于偏置两个PMOS，以发生电源电压vdif1和vdif2。vdif1和vdif2的压摆率差用于正确地触发锁存结构，读取时序图如图4所示。
图4. 差分读出放大器区别PCM阵列内容的读操作时序图
图7是一个完好的微操控器芯片的显微照片：包含ADC、振荡器、PLL、稳压器和SRAM。PCM单元面积为40F²。
图7.内嵌28nm FD-SOI的PCM非易失性存储器的轿车0级微操控器芯片的显微照片。
咱们在该芯片的多个样片上丈量了读取时刻功用。体系设置是2个等候状况对应3个时钟周期，其间两个时钟周期分配给阵列读取操作，一个周期分配给数字处理运算，包含ECC。咱们运用shmoo技能在不同的温度和电压下丈量体系功用（见图5），在227MHz主频运行时， Ta为8.8ns。咱们验证了在0.85V至1.05V电压规模内、-40°C至165°C温度规模内的读取才能。
与传统的FEOL处理计划比较，PCM单个位可修正特性使字节/字写入时刻功用十分超卓（30us）。由于不再需求擦除操作，PCM写入时刻大幅下降，写吞吐量到达0.83MB/s。PCM能够掩盖数据，引发业界对写周期概念以及E2仿真算法必要性的从头评论。写耐久性测验后的重置和置位散布如图5所示，从图中能够看到重置和置位尾部之间名贵的读取辨认裕量。在新品和1万次读写之间未见功用下降。
图5. 设为2个等候状况，丈量在三个不同温度下的读取功用（shmoo图）。在最差条件下丈量的读拜访时刻8.8ns。 耐久性测验后，在256KB上的SET和RESET散布状况。1万次读写后没有观察到读取窗口封闭。
图6的表格给出了PCM存储器的首要特性以及与当时最先进技能的比较状况。PCM的存储单元尺度较小，读写功用均衡，具有与计划2和3相同的单个存储单元修正功用，但计划2和3不能用于轿车体系。计划1尽管读写速度快，但在数据修正方面功率较低。本文评论了商场首个在后工序完成嵌入式非易失性存储器的轿车微操控器，该嵌入式存储器容量是6MB，选用28nm FDSOI制作技能，工作温度规模-40°C至165°C。该产品是彻底模仿传统e-NVM闪存母产品的相同功用，能够满意首要技能标准的要求。该处理计划证明，在最恶劣的轿车环境中，PCM至少能够代替闪存，处理高电压需求的应战，促进嵌入式技能缩小尺度。
图6. 轿车级0微操控器内的28nm FD-SOI CMOS嵌入式PCM的首要功用，并与现有技能的比照状况。
参考文献
[1]Y. Taito, et al., A 28nm Embedded SG-MONOS Flash Macro for Automotive Achieving 200MHz Read Operation and 2.0MB/s Write Throughput at Tj of 170°C, ISSCC, pp. 132-133, 2015
[2]C.-C. Chou, et al., An N40 256Kx44 Embedded RRAM Macro with SL-Precharge SA and Low-Voltage Current Limiter to Improve Read and Write Performance, ISSCC, pp. 478-479, 2018.
[3]Q. Dong, et al., A 1Mb 28nm STT-MRAM with 2.8ns Read access time at 1.2V VDD Using Single-Cap Offset-Cancelled Sense Amplifier and In-Situ Self-Write-Termination, ISSCC, pp. 480-481, 2018.
[4]P. Zuliani et al., Overcoming Temperature Limitations in Phase Change Memories with Optimized GexSbyTez, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 60, No. 12, December 2013
[5]hidden reference
