存储器发展状况

嵌入式存储器发展现状

北京芯技佳易微电子科技有限公司 薛霆 李红

摘要：文章中简要介绍了嵌入式存储器技术发展历程，详细地介绍了基于标准工艺上嵌入式存储器的技术

关键词：IP SOC 存储器eDRAM OTP MTP 嵌入式闪存 1T-SRAM 2T-SRAM

Abstract: Paper reviews historic development of embedded memory technologies. A few of embedded memory technologies based on standard process is introduced in more details.

Keywords: IP SOC Memory eDRAM OTP MTP eFlash 1T-SRAM 2T-SRAM

1、引言

嵌入式存储器不同于片外存储器，它是集成在片内与系统中各个逻辑、混合信号等IP共同组成单一芯片的基本组成部分。嵌入式存储器包括嵌入式静态存储器，动态存储器和各种非挥发性存储器。几乎今天每一个SOC芯片中都含有或多或少多种嵌入式存储器的应用。

图1 嵌入式存储器的分类

嵌入式存储器大体分为两类，一类是挥发性存储器，另一类是非挥发性存储器，挥发性存储器包括速度快，功耗低，简单的SRAM和高密度的DRAM；而非挥发性存储器在实际使用中有更多种类，常用的包括OTP，ROM和EEPROM 及越来越普及的eFlash技术。非挥发性存储器主要用于存储器掉电不丢失的固定数据和程式。

嵌入式存储器和分立式存储器重要不同之处在于嵌入式存储器往往受限于应用IC的本身工艺特性条件，而分立式存储器件主要是围绕存储器器件进行优化工

图1－嵌入式存储器的分类

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20112014存储器面积可重用逻辑的面积新逻辑的面积艺。

图2中可以看出，嵌入式存储器在SOC 的面积比重逐年增加，由1999年平均20%的芯片面积上升到2007年60-70%乃至2014年的90%的面积。由此可见，嵌入式存储器的优劣对芯片系统的影响将越来越大。

图2 嵌入式存储器在SoC 中所占芯片面积的比重

2、历史回顾

早期的半导体行业是IDM 占据主流，每个公司各自独立发展自己的工艺、IPs 和相关芯片。由于早期系统的集成度不高，系统的速度、功耗性能要求低，分立式存储器大行其道，且足以应付各种应用的挑战。八十年代末至九十年代初，晶圆代工业务模式的兴起，行业细分要求出现第三方的IP 独立供应商，而芯片集成度的大幅提高带来对分立存储器新的挑战：1）集成度和工艺允许片内集成更多的存储器；2）存储器的速度发展远远落后于MPU 的速度，导致日益急速增长的性能差异（图3）。而片内存储器灵活简单的接口、更宽的总线和无板级延迟，更主要的是，也能节省系统的空间，使得它日益受到集成电路设计师的青睐。这段时间主要的嵌入式存储器以SRAM 和DRAM 两种形式出现。第三方IP 供应商Artisan 以其灵活的商务模式和便携软件集成，成为标准单元库和嵌入式SRAM 的主要供应商。九十年代中期，Intel 将片外高速缓冲存储器（Cache ）集成到片内的重大举动，除了有一大批分立的片外高速缓冲存储器厂商倒闭外，还标志着嵌入式存储器成为主流厂商的不二选择。今天，一颗CoreDuo TM 处理器超过60%的面积由各种嵌入式SRAM 如寄存器堆，一、二级缓存组成（图4），嵌入式SRAM 一度成为先进晶圆厂的工艺技术指标衡量的标杆。然而由于SRAM 由六个晶体管组成，而DRAM 只有一个晶体管加一个电容的结构，面积有相当优势，很多厂商开始思考将DRAM 嵌入进系统中去的可能性。

图2－嵌入式存储器在SoC 中的比重

图3－MPU与DRAM随时代变迁而发展的关系

图3 MPU与DRAM随时代变迁而发展的关系

图4－嵌入式存储器在Intel Pentium处理器中所占面积

图4 嵌入式存储器在Intel Pentium处理器中所占面积

IBM,Toshiba等都投入大量人力物力进行嵌入式DRAM（eDRAM)的开发。但eDRAM 开发的难点，其实在于DRAM工艺与常规逻辑工艺差异很大，工艺的整合相当困难。从九十年代的初期，有数十家大大小小公司致力于eDRAM研究开发,到现在只有寥寥数家，不能不说超出想象的工艺整合的难度和后续的持续的投入局限使得这个原本很好的设想不能大展鸿图。虽然到今天，随着工艺前进的速度，使得一些公司象TSMC重新审视eDRAM的可行性，并有部分成果，IBM和NEC也在有限的应用中推广eDRAM且小有收获，毕竟，像极高密度存储空间的应用对eDRAM还是有着迫切需求的，但是，主流的设计还是没有将eDRAM纳入必备选项。

随着消费类应用大幅成长，嵌入式闪存（eFlash）的应用开始蓬勃发展。从早期，设计师将程序简单固化在ROM，到后来的OTP, EEPROM乃至今天高密度eFlash内存。嵌入式闪存有效帮助存储不掉电的代码和数据，对于MCU,RFI D,身份证卡等有着非常重要的意义。嵌入式闪存存储器主要有浮栅（Floating Gate）和硅-氧化物-氮化物-硅（SONOS）两种。由于最近铁电存储器（FeRAM）和磁电存储器（MRAM）也把方向放到嵌入式应用方面，这或许会给SOC设计师带

来更多选择。下面侧重介绍一下逻辑兼容性存储器的现状。

3、逻辑兼容性存储器

在众多存储器IPs 中，兼容标准工艺，没有工艺修改，无疑对SOC 设计师有很大吸引力。特殊存储单元虽然有很好的性能优势，但复杂的工艺开发往往使得工艺滞后于主流工艺1.5代以上，同时也缺乏足够资源做技术支持；价格往往较昂贵，所以，能在主流工艺上迅速实现嵌入存储器无疑是一种非常普遍的选择和现实的折衷。

3.1 Kilopass 和击穿型OTP

Kilopass 与2001年发明利用氧化层击穿形成电阻的原理，成功开发出OTP （一次可编程）ROM 这种存储器单元（图5）。由于氧化层越薄越容易击穿，使其可扩展性强，且与标准工艺完全兼容,易于SOC 设计师选用。缺点是面积比ROM 和嵌入式闪存大，且只能一次编程。虽然专利提及有多次编程能力（MTP ）,但至今未见成熟产品问世。

3.2 MoSys 和1T-SRAM

MoSys 在1998年提1T-SRAM 的概念（图6），其重点就是将DRAM 的接口SRAM 化，这样客户使用会非常方便。早期的MoSys 的1T-SRAM 利用MOS 管本身的电容特性进行电荷存储，从而设计出与标准制程完全兼容的伪SRAM 产品。1T-SRAM 在任天堂 的Game Cube 和Wii 游戏机获得非常经典的成功。后来，MoSys 在2002年提出1T-Q （图7）的思路，在于改进先进工艺下电容的品质，但由于增加了更多的光掩模和复杂的工艺步骤，使得设计师使用有所顾虑；另外，由于1T-SRAM 的设计普遍较大且需要定制服务，对集成高密度SRAM 的客户较有吸引力，而多种分布式模块的客户会较难使用该种存储器。

图5－Kilopass OTP 技术的存储单元工艺结构图

高压击穿后形成电阻